Nauka o słyszeniu. Wykład III +IV Wysokość+ Głośność dźwięku

Transkrypt

1 Nauka o słyszeniu Wykład III +IV Wysokość+ Głośność dźwięku Anna Preis, apraton@amu.edu.pl

2 Plan wykładu - wysokość Wysokość dźwięku-definicja Periodyczność Dźwięk harmoniczny Wysokość dźwięku, z i bez fo JND - dyskryminacja częstotliwościowa Selektywność częstotliwościowa Siła wysokości Zależność wysokości od poziomu dźwięku Wysokość tonalna i chroma

3 Czym jest wysokość? Periodyczością? Harmonicznością? Brakiem dudnień? Wiadomo, że jest cechą wrażenia słuchowego podobnie jak głośność Cecha wrażenia słuchowego ze względu na którą można uporządkować dźwięki od najniższych do najwyższych

4 Wysokość dźwięku Większość muzycznych instrumentów ma wyraźną wysokość związaną z periodycznością dźwięku

5 Ta sama periodyczność inny skład widmowy

6 Opis prezentacji dźwiękowej Cook 12 Prezentowane będą impulsu tonalne dla tonów o następujących częstotliwościach: 13.5, 27.5, 55, 110, 220, 440, 880,1760,3520 Dla: 4 okresów 10 okresów 25 okresów

7 Periodyczność Liczba cykli zależy od częstotliwości Ile cykli musi być aby to wrażenie było wyraźne- zależy od częstotliwości Przykład muzyczny Cook nr 12 Sama periodyczność nie wystarczy aby usłyszeć wysokość dźwięku!!

8 Dodawanie tonów- dźwięk harmoniczny Widmo częstotliwościowe

9 Natura dźwięku muzycznego

10 Opis prezentacji dźwiękowej Prezentowane będą dwa przykłady dodawania harmonicznych do tonu o częstotliwości podstawowej: Dzwon: 251, 501, 603 i 750, 1005, 2083, 2421 i 2721, pozostałe harmoniczne Gitara: 251, 2h, 3h, 4h, 5h i 6h, 7h i 8h, 9h+10h+11h, pozostałe harmoniczne

11 Dodawanie tonów- dźwięk harmoniczny i nieharmoniczny F0=251 Hz 5 i 6F0 251 Hz 1506 Hz 2F0 502 Hz 7 i 8 F0 501 Hz 2083 Hz 3F0 9, 10 i 11 F0 603, 750 Hz 2421, 2721 Hz 4F0 pozostałe 1005 Hz pozostałe Widmo dźwięku gitary Widmo dźwięku dzwonu

12 Opis prezentacji dźwiękowej Cook 11 Prezentowany będzie proces dodawania kolejnych 12 harmonicznych dźwięku, tonów o jednakowych amplitudach Dla częstotliwości podstawowej fo=55 Hz Dla częstotliwości podstawowej fo=440 Hz

13 Wysokość i składowe harmoniczne Muzyczne dźwięki mają wiele harmonicznych, które są Cook nr 11 (te same amplitudy dla 55 i 440 Hz) wielokrotnościami podstawowej Jednak do usłyszenia wysokości związanej z podstawową jej fizyczna obecność w widmie nie jest potrzebna Wystarczą 3 kolejne harmoniczne aby wysłyszeć wysokość związaną z nieobecną podstawową

14 Opis prezentacji dźwiękowej Cook 13 Prezentowane będą dźwięki o częstotliwości podstawowej 55 i 440 Hz w następującej sekwencji: 12 kolejnych harmonicznych o amplitudach odpowiednio:1.2, 1.1, 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, , 0.4, 0.3, 0.2, kolejnych harmonicznych o amplitudach odpowiednio: 1.2, 1.0, 0.8, 0.6, 0.4, harmonicznych o amplitudach: 0.4, 0.8, 1.2, 1.2, 0.8, 0.4

15 Wysokość Jak słyszymy dla niskich 55 Hz i wysokich częstotliwości 440 Hz-Cook nr harmonicznych 6 harmonicznych 7-12 harmonicznych

16 Efekt brakującej podstawowej W przypadku (b) i (c) fizycznie nie występuje składowa podstawowa o częstotliwości f= 400Hz a wysokość dźwięku słyszymy taką samą w tych trzech przypadkach. Dlaczego??

17 Nieparzyste harmoniczne Cook nr 15 słuchamy dźwięk z 12 harmonicznymi a później z 6 nieparzystymi Jaka jest wysokość?

18 Opis prezentacji dźwiękowej Cook 15 Prezentowane będą w parach dźwięki: wszystkie harmoniczne nieparzyste harmoniczne Dla następujących częstotliwości: 880, 440, 220,110, 55, 27.5

19 Nieparzyste harmoniczne

20 Terhardt 1972 (17 FAS) Fo=120 Hz 33 składowe, filtr od 300 Hz 28 składowych

21 Terhardt 1972 (18FAS) Przykład mowy :po zastosowaniu filtru 300Hz -4000Hz

22 Przykład z dźwiękiem w którym występują spectral pitches 600:300,200,150,120,100,85.7, : 400, 266.7, 200, : 500, 333, 250, 200, : 600, 400, 300, 240, 200,..

23 Dyskryminacja częstotliwościowa JND- słuchamy jeden sygnał po drugim, w różnych chwilach czasowych Wielkość JND zależy od metody modulacyjne progi (FMDL) i bez modulacji (DLF) Wyznaczamy w ten sposób próg różnicowy

24 Wysokość i JND Ton o f= 500 Hz jest modulowany częstotliwościowo 100, 30, 10, 3, 1 Hz Ton o f= 5000Hz jest modulowany częstotliwościowo 100, 30, 10, 3, i 1 Hz

25

26 Selektywność słuchowa Kiedy dwa dźwięki słyszymy oddzielnie?

27

28 Opis prezentacji dźwiękowej Ton o f=1000 Hz i f=1000 Hz Ton o f=1000 Hz i f=1001 Hz dudnienia Ton o f=1000 Hz i f=1004 Hz dudnienia Ton o f=1000 Hz i f=1020 Hz siła fluktuacji Ton o f=1000 Hz i f=1070 Hz chropowatość Ton o f=1000 Hz i f=1414 Hz dwa tony osobno

29 Two Tones, Different Hearing Events Sinuston 1 khz und Hz Schwebung Fluktuation, R-Rauhigkeit Rauhigkeit Zweiton Komplex Schwankung (Rumbling, Kollern)

30 Wewnątrz filtru słuchowego/wstęgi krytycznej? Dudnienia Chropowatość Siła fluktuacji

31

32 Opis prezentacji f f B f 1 f 2 f2 2 f 1 f 1 f f 2

33 Dudnienia Hz Hz Hz fb=10 Hz f=225 Hz fb=10 Hz f=445 Hz fb=10 Hz f=3525hz

34 Chropowatość Hz Hz Hz

35 Opis prezentacji dźwiękowej Prezentowanych będzie 11 sygnałów o tej samej głośności i tej samej wysokości ale o różnej sile wysokości. Każdy sygnał będzie powtórzony trzy razy

36 trzy powtórzenia Siła wysokości

37 Opis prezentacji dźwiękowej Trzy tony będą prezentowane częstotliwościach: 200 Hz 50 db i 200 Hz 75 db - niższy 1000 Hz 50 db i 1000 Hz 75 db - niższy 6000 Hz 50 db i 6000 Hz 75 db - wyższy

38 Jak wysokość zależy od poziomu 15FAS 200 Hz, 1000Hz niższa wysokość 6000Hz - wyższa wysokość 50 db -75dB Każda para powtórzona 3 razy

39 Opis prezentacji Prezentowane będą dźwięki w których zmieniać się będzie tylko tzw. tonalna wysokość na przykładach: szumu bez zmiany chromy wszystkie instrumenty smyczkowe bez zmiany chromy wszystkie tony sinusoidalne bez zmiany chromy jeszcze jeden przykład z szumem

40 Cook nr 51

41 Opis prezentacji Prezentowane będą dwie melodie, które możemy rozpoznać ze względu na taka samą chromę przy róznej tonalnej wysokości: wysokości umieszczone w przypadkowych oktawach wysokości umieszczone w sąsiednich oktawach wysokości umieszczone we właściwych miejscach

42 Chroma

43 Plan wykładu - głośność Próg słyszalności Poziom ciśnienia akustycznego SPL a poziom dźwięku SPL (A) Głośność dźwięku, poziom głośnościdefinicje Krzywe jednakowej głośności JND Perspektywa słuchowa

44 Absolutna czułość słuchu Zakres częstotliwości Hz 10^(-11) cm -5000Hz

45 Próg słyszenia

46 Metoda Bekesego wyznaczania progu słyszenia

47

48 Filtrowanie krzywą A i krzywą C (db (A) i db (C) Krzywa korekcyjna A (mimo swojej niedoskonałości) jest najpowszechniej stosowana do przerabiania wskazań miernika poziomu dźwięku na ucho ludzkie. Krzywa ta jest odwróceniem krzywej równej głośności dla 40 db. Użycie tej krzywej powoduje, że miernik staje się mniej czuły na duże i małe częstotliwości. Pomiary poziomu ciśnienia dźwięku ważonego krzywą 48 A wyrażamy w db (A).

49 Krzywa korekcyjna C jest liniowa w dużym zakresie częstotliwości i może być stosowana do pomiarów dźwięków o dużych poziomach wyniki pomiarów wyrażamy w db(c). Istnieje też krzywa korekcyjna B rzadko używana, o charakterystyce pomiędzy krzywą A a krzywą C. 49

50 Jeśli używany jest filtr A (krzywa korekcyjna A) poziom ciśnienia dźwięku ważony tą krzywą wyrażany jest w db (A). Tak ważony poziom nie odpowiada głośności, ponieważ filtr A w bardzo niedoskonały sposób imituje działanie ucha ludzkiego. W celu określenia głośności dźwięku należy odwołać się do pewnych wyidealizowanych krzywych krzywych izofonicznych. 50

51 Opis prezentacji Prezentowane będą dwie serie tonów: pierwsza seria o takich samych amplitudach, druga seria o do dopasowanych ze względu na głośność dla następujących częstotliwości: 55, 82.5, 110, 165, 220, 330, 440, 660, 880, 1320, 1760, 2640, 3520, 5280 Hz Cook 16

52 Dźwięki o równych poziomach i różnych częstotliwościach nie są jednakowo głośne Wynika to z nierównej czułości ucha ludzkiego na różne częstotliwości. Ucho jest najbardziej czułe w zakresie 1-4 khz. Znacznie mniej czułe jest dla częstotliwości spoza tego zakresu. Mierniki poziomu dźwięku wyposażone są w filtry, których charakterystyka częstotliwościowa jest zbliżona do charakterystyki ucha. Ton f=1000hz, dźwięk: 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, dźwięk: 500, 1100, 1773, 2173, 2717, 3141 Cook 18 52

53 Dlaczego używamy decybeli? Duży zakres dynamiczny dźwięków odbieranych przez ludzkie ucho (od 20 mikropaskali do ok. 2 paskali), a więc duży zakres liczb jakim należałoby się posługiwać jest bardzo niewygodny. Dlatego notacja decybelowa operująca mniejszymi liczbami jest wygodniejsza. 53

54 Głośność dźwięku Cecha wrażenia słuchowego ze względu na którą można uporządkować dźwięki od najcichszych do najgłośniejszych

55 Krzywa korekcyjna A i C 55

56 Głośność, fony, sony Fon jest jednostką poziomu głośności, związaną z decybelami przez psychofizyczne pomiary reakcji ucha człowieka. Dla częstotliwości 1 khz odczyty w fonach i db są z definicji takie same. W eksperymencie zadaniem słuchaczy było dostrojenie głośności sygnału, do głośności tonu o częstotliwości 1 khz i danym poziomie ciśnienia akustycznego. Badany sygnał ma tyle fonów ile decybeli ma równogłośny z nim ton 1 khz. W fonach wyrażamy poziom głośności. 56

57 Żeby przejść z decybeli na fony należy posłużyć się krzywymi równej głośności. Są one zależne od poziomu ciśnienia akustycznego (dla większych poziomów stają się bardziej płaskie). 57

58 Głośność, fony, sony Poziom głośności wyrażony w fonach określa z jakim tonem 1kHz jest równogłośny badany dźwięk, nie określa natomiast ile razy jeden dźwięk jest głośniejszy od drugiego. Do tego celu służy skala sonów, określamy w niej głośność (poziom głośności określany jest w fonach!). 58

59 Głośność, fony, sony 1 son (głośności) jest równy 40 fonom (czyli jest równogłośny z tonem 1 khz o poziomie ciśnienia akustycznego 40 db). Dźwięk ma 2 sony jeśli jest 2 razy głośniejszy od dźwięku o głośności 1 sona. Dźwięk ma 0.5 sona jeśli jest 2 razy cichszy od dźwięku o głośności 1 sona. 59

60 Opis prezentacji Prezentowane są pary tonów o tej samej częstotliwości ale o różnej amplitudzie wyrażonej w decybelach. Jaka para wywołuje wrażenie podwojenia głośności - x db + 5 db - x db + 8 db - x db + 10 db

61 Głośność i skala db Dla tonu 1000 Hz i SPL=40dB głośność 1son, wzrost o 10 db podwojenie głośności Oryginał + 5dB, +8dB, +10dB

62 Doświadczalnie stwierdzono, że wzrost poziomu ciśnienia akustycznego o 10 db w przybliżeniu odpowiada podwojeniu głośności. Można zatem powiązać poziom głośności (w fonach) z głośnością (w sonach) : 0.5 sona = 30 fonów, 1 son = 40 fonów, 2 sony = 50 fonów, 4 sony = 60 fonów, etc. 62

63 Głośność i czas trwania Pary tonów o f=3000hz i różnych czasach trwania -1000ms 1000ms -1000ms 300ms -1000ms 100ms -1000ms 30ms -1000ms 10ms -1000ms 3ms Każda para jest prezentowana dwa razy

64 Głośność i JND Ton o f=1000 Hz i SPL=75 db modulowany amplitudowo z f=4hz Zmiany poziomu: 0.2, 0.5, 1 i 3 db Biały szum SPL=60 db modulowany amplitudowo z f=4 Hz Zmiany poziomu: 0.5, 1, 3 db

65 Słuchowa perspektywa Jak słuchamy orkiestry z 20 m i 300 to jej wymiar się redukuje tak jak w widzeniu Słuchowa perspektywa składa się z ważnych akustycznych i psychoakustycznych wymiarów

66 Głośność

67 pp=1/128 ff Głośność

68 Widmowe przesłanki

69 Przesłanki dotyczące odległości i odbić Cook 78 a. Jak w radiu b. Zmniejszony wysiłek c. Stosunek r/d stały ciszej w ustalony punkcie d. Tak samo jak w a tylko r/d wzrasta dźwięk dochodzi z dalszej odległości

70 Słuchowa perspektywa Ocena głośności źródła dźwięku zależy od: widmowe przesłanki odległościowe przesłanki (odbicia) gdy nie ma przesłanek widmowychodległościowe wystarczą do oceny głośności źródła dźwięku gdy nie ma odbić intensywność jest jedyną przesłanką do oceny głośności