ZASTOSOWANIE PSYCHOAKUSTYKI ORAZ AKUSTYKI ŚRODOWISKA W SYSTEMACH NAGŁOŚNIAJĄCYCH

Transkrypt

1 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji i Akustyki SYSTEMY NAGŁOŚNIENIA TEMAT SEMINARIUM: ZASTOSOWANIE PSYCHOAKUSTYKI ORAZ AKUSTYKI ŚRODOWISKA W SYSTEMACH NAGŁOŚNIAJĄCYCH prowadzący: mgr. P. Kozłowski termin: poniedziałek godz data oddania: autor: Marcin Wroński nr indeksu: kierunek EIT specjalność EID rok 4 /sem. 7

2 SPIS TREŚCI 1 ELEMENTY PSYCHOAKUSTYKI Lokalizacja dźwięków w przestrzeni Zjawiska maskowania Zjawisko Hassa 5 2 ELEMENTY AKUSTYKI ŚRODOWISKA Odległość od źródła Wilgotność powietrza Temperatura Wiatr Rodzaj powierzchni gruntu 12 3 LITERATURA 14 2

3 1 Elementy psychoakustyki 1.1 Lokalizacja dźwięków w przestrzeni Podstawowymi czynnikami fizycznymi pozwalającymi lokalizować dźwięki w przestrzeni są: międzyuszna różnica czasu t lub fazy Φ międzyuszna różnica natężenia I międzyuszna różnica w widmie częstotliwości ω Gdy źródło dźwięku nie leży w płaszczyźnie symetrii głowy słuchacza, występuje różnica czasu pomiędzy dojściem sygnału do obojga uszu, jest to międzyuszna różnica czasu t. Największa wartość międzyusznej różnicy czasu t występuje dla α=90 o, gdzie α to azymut źródła dźwięku. Dla tonów ciągłych międzyuszna różnica czasu t jest równoważna różnicy fazy Φ. Dla dźwięków złożonych oraz o charakterze impulsowym pojęcie fazy zatraca sens, więc w odniesieniu do takich sygnałów stosujemy pojęcie różnicy czasu. Maksymalna wartość międzyusznej różnicy czasu wynosi około 630µs, natomiast minimalna wartość międzyusznej różnicy czasu, która wywołuje już wrażenie zmiany kierunku wynosi około 30µs. Między uszna różnica fazy Φ może być wykorzystywana tylko przy lokalizacji tonów o częstotliwości od 100 do 1000Hz. W zakresie częstotliwości poniżej 100Hz zmiany różnicy faz nie mają wpływu na odczucie zmiany kierunków. Drugim czynnikiem umożliwiającym lokalizowanie źródeł dźwięku jest międzyuszna różnica poziomu natężenia I. Przyczyną powstawania międzyusznej różnicy natężenia I jest efekt ekranujący głowy. Gdy fala dźwiękowa dochodzi do słuchacza pod pewnym kątem (względem osi symetrii głowy) wielkość ciśnienia akustycznego, więc i natężenia, jest różna. Wielkość międzyusznej różnicy natężenia wzrasta ze spadkiem długości fali, a więc ze wzrostem częstotliwości. jednak efekt ten występuje dopiero powyżej 400Hz. Z 3

4 danych, które opracował Shaw wynika, że dla bocznego położenia źródła dźwięku, przy częstotliwości 300Hz międzyuszna różnica natężenia wynosi 3 4dB, ale dla częstotliwości 12kHz wartość międzyusznej różnicy natężenia wynosi 20dB. Ważnym jest, że dla różnicy poziomu natężenia równej 15dB, niezależnie od częstotliwości źródło dźwięku lokalizowane jest z boku słuchacza. Uzupełnieniem poprzednich czynników jest międzyuszna różnica w widmie częstotliwości. Przyczyną jej powstawania jest zależność międzyusznej różnicy natężenia od częstotliwości. Międzyuszna różnica widma ω stanowi jedynie uzupełnienie poprzednich czynników, dopiero ważną role odgrywa w przypadku umiejscawiania źródeł emitujących złożony sygnał o charakterze widmowym. Dla tego typu sygnałów nawet niewielkie przesunięcie źródła powoduje wyraźne różnice między widmami dźwięków odbieranymi przez lewe i prawe ucho. Opisane powyżej różnice międzyuszne są podstawowymi czynnikami fizycznymi umożliwiającymi lokalizację źródeł dźwięku w przestrzeni i podczas lokalizacji uzupełniają się nawzajem. Ze względu na dokładność lokalizacji, z całego zakresu częstotliwości należy wyodrębnić następujące podzakresy: Hz w tym zakresie człowiek może lokalizować dźwięki z największą dokładnością, efektywnymi czynnikami umożliwiającymi precyzyjnie lokalizować źródła są: dla tonów międzyuszne różnice fazy Φ, dla sygnałów o charakterze impulsowym - międzyuszna różnica czasu t, dla szumów współczynniki wzajemnej korelacji Hz żadna z między usznych różnic sygnału nie jest efektywnym czynnikiem, dlatego dla tych częstotliwości możliwości lokalizacji są znacznie ograniczone lokalizacja tych częstotliwości jest bardzo dobra dzięki dużym wartościom międzyusznej różnicy natężenia I, a dla dźwięków złożonych dodatkowo różnic w widmie ω. 4

5 Kolejnym czynnikiem wpływającym na lokalizacje dźwięków jest przebieg transjentu początkowego (nie stwierdzono wpływu przebiegu transjentu końcowego na dokładność lokalizacji). Czynnikiem fizycznym za pośrednictwem którego czas narastania sygnału wpływa na lokalizację jest, powstająca dodatkowa międzyuszna różnica natężeń. Wartość tej różnicy zależy od czasu narastania i jest zmienna w czasie. Różnica ta maleje ze wzrostem czasu narastania i przy czasie równym 100ms jest praktycznie równa międzyusznej różnicy natężeń I dla stanu ustalonego. Organ słuchu umożliwia nie tylko określanie kierunku z którego dochodzi dźwięk, lecz także określanie w jakiej odległości znajduje się źródło dźwięku. Określanie odległości jest jednak znacznie mniej dokładne, ponieważ ocena odległości opiera się na przebiegach narastania i zanikania sygnału o niskich częstotliwościach. Aby dokładnie określić odległość emitowane dźwięki muszą być bez zniekształceń. Niestety głośniki charakteryzują się dużymi czasami narastania i zanikania w paśmie niskich częstotliwości, co w znacznym stopniu ogranicza poprawne określenie odległości od źródła. 1.2 Zjawiska maskowania Maskowanie jest zjawiskiem polegającym na zmniejszeniu się głośności jednego dźwięku (sygnał maskowany) w obecności drugiego dźwięku (maskującego). Można wyróżnić maskowanie całkowite lub częściowe. Ze względu na występowanie dźwięków wyróżnia się maskowanie równoczesne, wsteczne i resztkowe. Jako przykłady maskowania równoczesnego rozpatruje się maskowanie tonu tonem i maskowanie tonu szumem. 1.3 Zjawisko Hassa Zjawisko Hassa wynika z efektu maskowania resztkowego, czyli takiego gdzie dźwięk maskujący występuje po dźwięku maskowanym. 5

6 Echo powstaje w wyniku odbicia dźwięku bezpośredniego i dojścia tego dźwięku do obserwatora z opóźnieniem około 60ms, co przy prędkości dźwięku 340m/s oznacza różnicę dróg między dźwiękiem bezpośrednim a odbitym około 20m. W przypadku gdy obserwator jest równocześnie nadawcą dźwięku, usłyszy on echo gdy przeszkoda odbijająca dźwięk znajduje się w odległości około 10m, lub w odległości stanowiącej wielokrotność 10m. Tego typu zjawiska nie traktuje się jako pogłos lecz jako echo wydzielone przerwą czasową. Przy nagłaśnianiu istnieje potrzeba określenia dopuszczalnych opóźnień czasowych pomiędzy dźwiękiem bezpośrednim a odbitym. Konieczne jest więc rozszerzenia pojęcia echa na każde powtórzenie dźwięku pierwotnego, niezależnie od tego czy jest ono spostrzegane czy nie. Z tego faktu wynika, że istnieje opóźnienie krytyczne zależne od różnic natężeń pomiędzy dźwiękiem bezpośrednim a odbitym. Bardzo ważnym spostrzeżeniem jest fakt, że sygnał dochodzący do obserwatora z opóźnieniem mniejszym od krytycznego powoduje zwiększenie natężenia dźwięku bezpośredniego, zaś sygnał dochodzący z opóźnieniem większym od krytycznego odbierany jest jako echo. Dopuszczalny poziom natężenia dźwięku opóźnionego w stosunku do poziomu dźwięku bezpośredniego w funkcji wielkości opóźnienia przedstawia wykres poniżej. rys.1 Dopuszczalny poziom dźwięku opóźnionego w stosunku do poziomu sygnału bezpośredniego, w funkcji wielkości opóźnienia 6

7 Przedstawiona krzywa określa wielkość różnicy w poziomach natężeń dźwięku bezpośredniego i odbitego, która przy danej wielkości tego opóźnienia gwarantuje jednakową słyszalność obu sygnałów. Opóźnienie krytyczne jest mniejsze o około 20 30ms dla echa pochodzącego z naprzeciw niż dla echa pochodzącego z tego samego kierunku co dźwięk bezpośredni. 2 Elementy akustyki środowiska W środowisku występuje szereg czynników wpływających na propagację fal akustycznych, najważniejsze z nich to: odległość od źródła wilgotność powietrza temperatura powietrza wiatr rodzaj powierzchni gruntu 2.1 Odległość od źródła Modelując źródło dźwięku jako model matematyczny linii źródeł punktowych, charakterystykę zmiany poziomu ciśnienia od zmian odległości możemy podzielić na trzy obszary:!"do odległości b/π (b to odległość pomiędzy źródłami) źródło zachowuje się jak źródło punktowe d L2 log 2 = L1 20 gdzie d 2 > d1 d1 L 2 to poziom ciśnienia akustycznego w odległości d 2 L 1 to poziom ciśnienia akustycznego w odległości d 1!"w odległości od b/π do l/π (l to całkowita długość źródła) źródło zachowuje się jak źródło linowe 7

8 d L2 log 2 = L1 10 gdzie d 2 > d1 d1 L 2 to poziom ciśnienia akustycznego w odległości d 2 L 1 to poziom ciśnienia akustycznego w odległości d 1!"od odległości l/π źródło zachowuje się znowu jak źródło punktowe d L2 log 2 = L1 20 gdzie d 2 > d1 d1 L 2 to poziom ciśnienia akustycznego w odległości d 2 L 1 to poziom ciśnienia akustycznego w odległości d 1 Lp punktowe lliniowe punktowe 6dB/okt 3dB/okt 6dB/okt b/π l/π d rys.2 Przebieg zmian poziomu ciśnienia w funkcji odległości od linii źródeł 2.2 Wilgotność powietrza Wpływ wilgotności powietrza na absorpcję fali akustycznej jest wyraźny tylko w zakresie wysokich częstotliwości. 8

9 rys. 3 Zależność wielkości absorpcji fali o różnej częstotliwości, od wilgotności względnej powietrza Przedstawienie tej zależności na innym układzie współrzędnych wskazuje, że przy wilgotności względnej powietrza % wielkość tłumienia rośnie proporcjonalnie do częstotliwości fali. Wartości L w praktyce mogą wynosić od 2 do 10dB na drodze 100m. Czym większa wilgotność tym dźwięk się lepiej rozchodzi. 9

10 rys. 4 Zależność wielkości absorpcji fali akustycznej od częstotliwości, przez powietrze o różnej wilgotności względnej W podobny sposób jak wilgotność oddziałują mgła deszcz i dym. 2.3 Temperatura W przypadku gdy powietrze traktujemy jako ośrodek niejednorodny, składający się z warstw o różnej temperaturze prędkość propagacji zmienia się wraz z przejściem do kolejnej warstwy. Występujące efekty załamania fali na granicy warstw zwiększają jej efektywną absorpcję. Latem, w wyniku silnie nagrzanej ziemi, gradient temperatury skierowany jest w górę i dlatego fala akustyczna zostaje odchylona ku górze, ilustruje to rys.5 a. Natomiast zimą, gdy powierzchnia 10

11 ziemi jest silnie oziębiona, sytuacja jest odwrotna, rys. 5 b. Podobne efekty można zauważyć wczesnym rankiem po zimnej nocy. rys. 5 Wpływ zwrotu gradientu temperatury powietrza na kierunek odchylenia fali akustycznej 2.4 Wiatr Wiatr podobnie jak gradient temperatury, odchyla falę akustyczną ku górze lub ku dołowi. na ogół prędkość wiatru jest znacznie mniejsza od prędkości propagacji fali akustycznej w powietrzu, tak że możliwa jest również propagacja fali w kierunku przeciwnym do kierunku wiatru. Wiatr w wyższych strefach atmosfery jest na ogół silniejszy niż przy powierzchni ziemi. W związku z tym, w przypadku gdy kierunek wiejącego wiatru jest zgodny z kierunkiem propagacji fali akustycznej, jej odchylenie następuje ku dołowi. natomiast odwrotne zjawisko występuje, gdy kierunek wiatru jest przeciwny do kierunku propagacji fali występuje jej odchylenie ku górze. 11

12 rys. 6 Wpływ prędkości i kierunku wiatru na zmianę wartości poziomu ciśnienia akustycznego sygnału Przy propagacji fali akustycznej pod wiatr, absorpcja fali wzrasta bardzo gwałtownie ze wzrostem prędkości wiatru. 2.5 Rodzaj powierzchni gruntu Powierzchnie pokryte twardą nawierzchnią typu asfalt, beton, a także powierzchnie jezior itp. silnie odbijają fale akustyczne, powodując w efekcie znaczne zmniejszenie wartości L wynikającej z wpływu odległości od źródła. Przeciwnie, powierzchnie pokryte miękkim gruntem, trawą, zbożem itp. pochłaniają dodatkowo falę akustyczną. Jako przykład podano właściwości pochłaniające wyrośniętej trawy. 12

13 rys. 7 Dodatnia wartość tłumienia fali akustycznej o różnej częstotliwości przez powierzchnię terenu pokrytego wyrośniętą trawą Widać, że zmiany L w zakresie niskich częstotliwości są niewielkie, natomiast dla częstotliwości rzędu 10kHz mogą one wynosić aż 8dB na odległości 100m. 13

14 3 Literatura Wykład z Akustyki Środowiska dr inż. B. Rudno-Rudzińska Wykład z Akustyki Słuchu doc. dr J. Renowski Metody komputerowe w akustyce wnętrz i środowiska A. Gołaś wyd. AGH Kraków Zasady nagłaśniania pomieszczeń i przestrzeni otwartej E. Hojan wyd. naukowe UAM Poznań