Nauka o słyszeniu. Wykład V Barwa dźwięku: ostrość chropowatość, siła fluktuacji. Anna Preis,

Transkrypt

1 Nauka o słyszeniu Wykład V Barwa dźwięku: ostrość chropowatość, siła fluktuacji Anna Preis, apraton@amu.edu.pl

2 Głośność

3 Głośność ff 50m = ff/2500, ff=2500* ff 50m pp=2500 * ff 50m/128, pp=20* ff 50m pp=(1/128) ff Odpowiedź powinna być jedna głowa z odległości 1 m śpiewająca pp powinna być oceniona jako głośniejsza a jest odwrotnie! Dlaczego?

4 Wytłumaczenie eksperymentu Podstawowa przesłanka dotycząca głośności to intensywność dźwięku. W tym eksperymencie słuchacz wybrał zmianę w barwie sugerującą wysiłek osoby śpiewającej jako wskazówkę dotyczącą głośności. Od pp do ff zmienia się kształt obwiedni widma, składowe o wyższych częstotliwościach dominują, środek ciężkości widma przesuwa się w kierunku od podstawowej.

5 Widmowe przesłanki

6 Wytłumaczenie eksperymentu A co gdy zamiast śpiewaczek byłyby dwa głośniki generujące głośniejszy i cichszy dźwięk bez różnic widmowych? Odpowiedź byłaby dalszy dźwięk ale tylko w obecności odbić. Stosunek energii fali odbitej do fali bezpośredniej jest wskazówką dla percepcji odległości. Jak słuchacz w naszym eksperymencie użył tej wskazówki do stwierdzenia że dalszy dźwięk jest głośniejszy?

7 Przesłanki dotyczące odległości i odbić Cook 78 a. Jak w radiu, stały spadek 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

8 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

9 Barwa dźwięku Dwie definicje barwy dźwięku -dwa dźwięki o tej samej wysokości i głośności jeśli się czymś różnią to różnią się barwą - identyfikacja różnych instrumentów muzycznych

10 Natura dźwięku muzycznego

11 Proste drganie harmoniczne Wszystkie systemy drgające takie jak struny, słup powietrza, podlegają temu ruchowi

12

13 Dźwięki periodyczne Teoria Fouriera- każda fala periodyczna może być rozłożona na sumę fal sinusoidalnych o odpowiednich częstotliwościach, amplitudach i fazach Taki proces to analiza Fouriera przedstawiona zwykle w postaci częstotliwościowego widma prążkowego lub dyskretnego

14

15 Przykłady dźwiękowe Widma o różnych obwiedniach spektralnych Cook 19 Holy widma Cook 20 Skrzypce bez i z pudłem rezonansowym Cook 21

16

17

18 Dźwięki nieperiodyczne Analiza Fouriera zastosowana do dźwięków nieperiodycznych daje częstotliwościowe widmo ciągłe

19

20 Analiza Fouriera sygnału zmiennego w czasie

21 Reprezentacja zmian częstotliwości i amplitudy przy zastosowaniu spektrogramu

22 Trzy typy eksperymentów identyfikacyjnych Skalowanie ocen na skalach przymiotnikowych: szybki wolny, twardy-miękki (używana metoda do identyfikacji jakości głosu) Bezpośrednie porównanie na podstawie podobieństwa pomiędzy dźwiękami (używana do opisu barwy instrumentów) Manipulacje w porównywanych sygnałach, coś zmieniamy i pytamy się o identyfikację

23 Instrumenty hybrydowe

24 Wyznaczniki barwy dźwięku Ocena semantyczna - niezależne skale, niezależne parametry akustyczne decydują o skalowaniu na tych skalach (przykład pracy Bismarcka) Ocena podobieństwa i wielowymiarowe skalowanie

25 Sharpness: Weighted first moment of distribution of critical band rates of specific loudness, proportion of high-frequency spectral components to low-frequency ones Roughness/: Fluctuation strength: Time structure of the sound signal, modulation factor and level difference determine roughness amplitudeand frequency modulation Tonality: Share of tonal, narrow-band components of a sound signal, depending on frequency, level difference and bandwidth

26 white noise Sharpness: Comparison von Bismark Aures of Bismark / Aures white noise and amplification of 8 khz von Bismark Aures

27 Ostrość Przykład dźwiękowy wąskopasmowy szum o częstotliwości środkowej f=1 khz szum jednakowo pobudzający wysoko pasmowy szum z częstotliwością odcięcia f=3 khz

28 74,2 db 75,1 db 74,7 db Same A-level, Same Third Octave Spectrum

29 Siła fluktuacji Przykład dźwiękowy amplitudowo modulowany szerokopasmowy szum amplitudowo modulowane tony częstotliwościowo modulowane tony z częstotliwościami modulacji:1 Hz, 4 Hz,16 Hz Maksimum siły fluktuacji dla 4 Hz

30 Przykład dźwiękowy Chropowatość ton o f=1 khz modulowany amplitudowo z częstotliwością 70 Hz zmieniać się będzie stopień modulacji : 1.0, 0.7, 0.4, 0.25, 0.125, 0.1, 0. Trzy różne dźwięki są prezentowane amplitudowo modulowany szerokopasmowy szum, amplitudowo modulowane tony, częstotliwościowo modulowane tony z różnymi częstotliwościami modulacji: 20 Hz, 70 Hz i 200 Hz

31 Ostrość: 26, 27, 28 duża 14, 16, 21 mała 13, 19, 20 równa ostrość

32

33 Muzyczna barwa Interpretacja trzech wymiarów uzyskanych dla badań Grey a instrumentów 16 dźwięków I wymiar zakres częstotliwości, energia II wymiar - synchroniczność składowych III wymiar transjent łagodny, gwałtowny. Oznaczenia: 01,02 obój, C1,C2-klarnet, X1,X2,X3 saksofon, EH- angielski róg, FHfrancuski, FL-flet, TM-wytlum. puzon, TPtrąbka, BN-fagot, S1,S2,S3-wiolonczela

34

35

36

37

38 Identyfikacja instrumentu na podstawie pojedynczego dźwięku W różnych eksperymentach procent poprawnej identyfikacji był różny dla różnych instrumentów Nie można budować dźwięków o jednakowej barwie powielając charakterystyki częstotliwościowe i czasowe jednego dźwięku

39 Dźwięk g

40

41

42

43

44 Expert and Non-expert Judgments of Musical Instruments: Subjective Evaluation vs Acoustical Characteristics of Musical Sound Anna Preis, Marta Chudzicka Institute of Acoustics, Adam Mickiewicz University, Poznan, Poland

45 Objectives of the study Comparison of the subjective rankings of instruments obtained for musicians and non-musicians Search for an acoustic criterium corresponding to the subjective ranking of the instruments

46 Method The experienced, professional violinist played J. S. Bach's "Partita d-moll" on 17 instruments It was a mono recording with a Neuman microphone, type U-87, and DAT Professional PCM 2600 Only the 15s excerpt of this performance was subject to acoustical analysis and to subjective assessment performed by musicians and nonmusicians subjects

47 Psychoacoustic Experiments Experiment I - sounds from 17 instruments were presented in 136 pairs. Each pair was constructed in the following way: 15s - first instrument, 0.5s pause, 15s - second instrument, 4s pause. Experiment II - sounds of 8 instruments investigated in the Experiment I were selected. These were sounds judged as very good (4 instruments) and as not so good (4 instruments). They were artificially equalized in loudness and assessed.

48 Apparatus Both experiments were controlled by the PC computer Subjects were listening to the sounds diotically through the headphones TONSIL type 5D-524 Sounds were presented randomly from the playlists created in Sound Forge 4.5

49 Subjects Experiment I subjects participated: 48 musicians and 52 non-musicians with normal-hearing They were between 20 and 50. Experiment II - 5 subjects participated: 2 musicians and 3 non-musicians, from 20 to 23.

50 Procedure You will listen to the same piece of music played on two instruments. Please mark which of the two instruments presented in a pair you would choose if you had a choice The order of the stimuli in pair was randomized The subject listened to the first stimulus, then, after a 500ms pause, to the second stimulus, and next, the subject had 4s to mark her/his judgment in a special form

51 Procedure cont. Experiment I - each of the 100 subjects made 136 preference judgments, and each instrument occurred 16 times. Each subject judged each pair of instruments only once Experiment II - each of 5 subjects made 28 preference judgments and each instrument occurred 7 times. The number of subjects was reduced but each subject judged 28 pairs of sounds in 5 repetitions

52 Results It was calculated how many times each instrument was chosen by each subject Calculated numbers were added for all subjects and divided by the number of subjects Thus, the averaged subjects choice of the preferred instrument was calculated

53 Subjects' choices of preferred instrument [%] musicians non-musicians Number of the instrument

54 A1, A4

55 A16, A9

56 A16, A5

57 Experiment I - results The most frequently chosen was instrument No. 1 The least chosen was instrument No. 16 The differences in the results of musicians and non-musicians are not statistically significant

58 Musicians' choices of preferred instrument [%] R 2 = 0, Non-musicians' choices of preferred instrument [%]

59 Experiment I - results cont. Three groups of instruments were identified: 1, 3, 4, 5, 6 were judged as very good 7, 8, 10, 17 were judged as good, 9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 19 were judged as not so good

60 Experiment I results cont. The subjective ranking obtained in Experiment I highly correlated with the values of total loudness (R 2 =0.84) It indicates that the preference choices were primarily influenced by loudness Experiment II - 4 loudest and 4 softest violins were chosen. The total loudness of these 8 instruments (Table 1, column 5) was artificially equalized.

61 Violin Jansson,Niewczyk Present study N Ex.I [sone] N Ex.II [sone] 1 Good Very good Good Very good Very good Very good Good Very good Not so good Very good Not so good Good Not so good Good Good Not so good Good Good Not so good Not so good Very good Not so good Not so good Not so good Good Not so good Not so good Not so good Not so good Not so good Good Good Not so good Not so good

62 Experiment II results cont. The subjective ranking obtained in Experiment II is almost identical with the results obtained in Experiment I, (with the exception of the instrument No.14) However, the differences between the instruments 5, 6 and 9, 12, 14, 16 were smaller in Experiment II than in Experiment I

63 Subjects' choices of preferred instrument [%] Musicians I Non-musicians I Non-musicians II Number of the instrument

64 Experiment II results cont. The time patterns of the instruments belonging to the same group are strongly similar. This is true for the pairs 1-4, In the case of pair 5-6 they are identical The time patterns of the instruments belonging to the different groups are shifted both in time and in the amplitude (total loudness versus time) eg. pair 5-16

65 Total loudness [sone] No. 1 No Time [s]

66 Total loudness [sone] No. 5 No Time [s]

67 Conclusions The preference judgments of the violins obtained for musicians do not differ from the preference judgments obtained for nonmusicians It is easy, even for a layman to make a preference judgment of the instruments presented in a pair. Judgment of a single instrument demands experience. This explains why judgments of musicians and non-musicians did not differ significantly. In the original recordings of the different violins the total loudness correlates best with the subjective judgments of the instrument

68