New 5. SLUŠNA AKUSTIKA Toroman/NPP DBBT/I... · 2019. 4. 12. · Cijelo unutrašnje uho ispunjeno je limfom. Na dijelu stijenkekoja graniči sa srednjim uhom dva su otvora, ovalni

Elektroakustika 2007.

5. SLUŠNA AKUSTIKAUho je najviši sudac!

Svi problemi elektroakustike svode se zapravo na težnju da se ostvari kvalitetno i ugodno slušanje u nekoj prostoriji.

Pojam sluh objedinjuje sve što je potrebno da bi se stvorio svjesni ili nesvjesni slušni doživljaj: uho (vanjsko, srednje u unutrašnje), slušne živce, te višerazinsku nelinearnu dvokanalnu obradu signala.

Primarna zadaća sluha je očuvanje osobnog integriteta, zapravo spašavanje života.

Tek potom dolazi na red obrada (ne)korisnih i (ne)ugodnih informacija. Čovjek sluhom dobiva 86% svih komunikacijskihinformacija.


Procesiranje slušne informacije ovisi o njoj samoj:

ako je relevantna i promjenjiva, procesiranje je intenzivno; ako nije, klasifikacija će je potisnuti iz svijesti.

Sluh nikada ne spava! (doslovno…)


Ovako izgleda presjek “najvišeg suca”:

Sl. 5.1 Presjek vanjskog, srednjeg i unutrašnjeg uha.


Ljudski slušni organ je daleko više od vrhunskog mikrofona: on je vrlo selektivan frekvencijski analizator, izvrstanindikator glasnoće, visine i boje tona, te precizan lokalizatorsmjera zvučnog izvora. Uho obuhvaća opseg frekvencija višeod deset oktava (npr. oko samo jednu).

Omjer zvučnih tlakova koje uho može podnijeti, a da ne dođe do oštećenja, i zvučnog tlaka koji uho tek može zamijetiti, iznosi 1 : 106. Uho posjeduje vlastite automatske sustave zasamozaštitu, i to mehaničke i kemijske.

Na području svoje najveće osjetljivosti uho reagira već nazvučni tlak koji je 10-10 puta niži od atmosferskoga. Uz tajzvučni tlak bubnjić titra amplitudom koja je manja od 10-9 cm.


5.1. UHO

Vanjsko uho sastoji se od školjke (pinna, concha), slušnog kanala (zvukovoda) i bubnjića.

Školjka i zvukovod čine lijevak koji na srednjim i visokim frekvencijama pojačavaju zvuk. To je složeni rezonantni sustav koji djeluje u ovisnosti o smjeru upada zvučnog vala, njegovoj frekvenciji te razini zvučnog tlaka.

Oblik školjke je bitan za usmjernu karakteristiku, čime i za lokalizacijske efekte.

U ovisnosti o smjeru upada i frekvenciji zv. vala razlike tlakova na ulazu u slušni kanal mogu biti oko ± 15 dB.


Sl. 5.2 Prijenosna funkcija uha u slobodnom polju


U ovisnosti o frekvenciji i upadnom kutu zvuka razlikuju se prijenosne karakteristike uha:

Sl. 5.3 Prijenosne karakteristike ovisne o frekvenciji odnosno kutu upada zvučnog vala.


Slušni kanal

školjka bubnjić

Sl. 5.4 Aproksimacija dimenzija slušnog kanala.


Slušni kanal je duljine od 2 do 2,5 cm, presjeka 0,3 do 0,5 cm2.

Kroz kanal se širi longitudinalni val, a samo u slučaju rezonancije u pinni pri iznad 5 kHz može se pojaviti uskopojasni transverzalni val.

Rezonantna frekvencija kanala je oko 3500 Hz, pa se u tom području dobiva pojačanje zvučnog tlaka do 10 dB.

U slučaju mjerenja tlaka ispred bubnjića cjevčica promjera do 1,8 mm neće poremetiti valne odnose u kanalu.

Bubnjić je eliptična membrana (debljine oko 0,1 mm) u obliku plitkog lijevka, s ispupčenjem prema srednjem uhu. Veća os duga je oko 1 cm, a kraća oko 0,85 cm. Zahvaljujući naboru na donjem dijelu može titrati oko osi koja je na gornjem rubu. Rezonantna frekvencija mu je između 1200 Hz i 1500 Hz.


Impedancija bubnjića je također ovisna o frekvenciji, i najniža je oko 800 Hz. Tu ima vrijednost specifičnog otpora zraka, pa nema refleksije zvučnih valova i bubnjić je tada idealan prijemnik zvuka.

Sl. 5.5. Frekvencijska karakteristika impedancije bubnjića.


Važna je i karakteristika apsorpcije, te se vidi da je ona najveća između 2 i 3 kHz.

Sl. 5.6. Frekvencijska karakteristika zvučne apsorpcije bubnjića.


Srednje uho: bubnjić, slušne koščice (čekić, nakovanj i stremen), te ovalni prozorčić i Eustachijeva cijev (dolje).

Sl. 5.7. Eustahijeva cijev (tuba) (Bartolomeo

Eustachio, 1563. g.)

služi za izjednačavanje statičkog tlaka unutrašnjeg i

vanjskog uha (na razinu atmosferskog tlaka).

Duga je oko 3 cm, presjeka oko 0,5 do 0,1 cm2.


Slušne su koščice polužno-stapni sustav (rezonantne frekvencije 1,2 kHz) koji veliki akustički otpor limfne tekućine u unutrašnjem uhu mora prilagoditi malom akustičkom otporu zraka i time omogućiti potpuniji prijenos zvučne energije.

Prva koščica je čekić, spojena je sa sredinom bubnjića te se zajedno s njim pokreće oko osi na obodu bubnjića. Gibanje čekića se prenosi na nakovanj, koji je pak vezan na stremen.

Prijenosni omjer tog polužnog sustava je promjenjiv, između 1,3:1 i 3:1, ali se konačno prilagođenje (veliki zvučni tlak u tekućini unutrašnjeg uha) postiže zahvaljući omjeru površina ovalnog prozorčića i površine bubnjića u iznosu od 3:80 mm2.

Time se mehanička sila povećava između 35 i 80 puta.

Pokusi su pokazali da se tlak na bubnjiću prema tlaku u unutrašnjem uhu na frekvenciji od 100 Hz odnosi kao 1:10, a na frekvencijama između 500 i 2500 Hz kao 1:15.


Prilagođenje akustičkih impedancija zraka i limfe postignuto je različitim površinama bubnjića i stremena (odnosno ovalnog prozorčića) i prijenosnim omjerom koščica (l1 i l2).

Sl. 5.8. Prijenosni sustav između bubnjića i ovalnog prozorčića.

F1 je površina bubnjića, F2površina ovalnog prozorčića

površina bubnjića površina ovalnog prozorčića


Omjer mehaničke transformacije srednjeg uha ovisi i o intenzitetu, odnosno razini zv. tlaka.

Pomoću dva mišića (tensor tympani i tensor stapedius) premješta se os zakretanja ovalne pločice stremena, pa ona ne tlači limfu cijelom svojom površinom. Taj proces se odvija kontinuirano od glasnoća većih od oko 60 dB, pa je postignuta izvrsna automatska regulacija glasnoće, koja je ujedno i zaštita.

Na glasnoćama većim od 90 do 100 dB još jedan mišić vuče čekić prema unutra, čime stvara “prednapon” kojim se bubnjićdodatno ukrućuje i time mu se smanjuju amplitude titranja, što je također zaštita, efikasna naročito na niskim frekvencijama.

Uho ima i kemijsku zaštitu koja djeluje na nervni sustav, te se, između ostaloga, očituje i kao umor i razdražljivost.


Sl. 5.9. Prijenosna karakteristika srednjeg uha


Unutrašnje uho (labirint) sastoji se od predvorja, polukružnih kanala i pužnice (sl. 5.10).


Sl. 5.11. Izgled pužnice (cochlea), stremena, prozorčića i slušnog živca.


Sl. 5.12. Presjek razmotane pužnice


Predvorje je dio unutrašnjeg uha ispred polukružnih kanala i pužnice.

Polukružni kanali služe za osjet ravnoteže, ali prema nekim novijim istraživanjima mogu sudjelovati i u slušnom osjetu.

Pužnica (cochlea) je najsloženija konstrukcija u cijelom ljudskom tijelu.

To je cijev, malo duža od 3 cm, savijena u spiralu s malo više od 2,5 zavoja koštano-hrskavičnih stijenki (debljine 1-2 mm).

Promjer osnovice pužnice je oko 3,3 cm.

Uzduž pužnice protežu se tri kanala međusobno razdijeljena bazilarnom i Reissnerovom membranom. U dnu je otvor koji spaja donji kanal s gornjim, helikotrema. Budući da je Reissnerova membrana vrlo tanka gornja dva kanala se hidrodinamički mogu smatrati jednim.


Cochlea

koštana ovojnica pužnice (presjek)

Sl. 5.13. Dva karakteristična presjeka pužnice.


Cijelo unutrašnje uho ispunjeno je limfom.

Na dijelu stijenke koja graniči sa srednjim uhom dva su otvora, ovalni i okrugli prozorčić.

Iznad bazilarne membrane nalazi se sam pretvarač, Cortijevorgan (Alfonso Corti, 1851.), koji se sastoji od oko 23500 cilijarnih stanica (unutrašnji red oko 3500, vanjski oko 20000, prema nekim podacima ukupno čak do oko 30000). Iz svake cilijarne stanice strše najčešće po tri dlačice, cilije, koje su različitih dužina.


Presjek dijela pužnice: bazilarna membrana s Cortijevimorganom, tektorijalna i Reissnerova membrana.

Sl. 5.14. Presjek bazilarne membrane.


Sl. 5.15. Cortijev organ; cilije (vanjske i unutrašnje) na bazilarnoj membrani, a iznad njih se nalazi tektorijalnamembrana.


Sl. 5.16. Prijenosna karakteristika unutrašnjeg uha


5.2. SLUŠNI PROCES

Zvučna energija, prenesena na tekućinu unutrašnjeg uha, proizvodi hidraulički tlačni val koji pobuđuje bazilarnumembranu na titranje.

Bazilarna membrana je na početnom dijelu kruta i zategnuta, a pri kraju je debela i mlohava. Zato će mjesto najvećih titrajnih pomaka ovisiti o frekvenciji. Visoke frekvencije će izazvati najveće gibanje na početnome, a niske na završnome dijelu membrane. Time membrana prostorno, po svojoj duljini. razlaže kompleksni val u sinusne komponente, čime ona ima funkciju grubog spektralnog analizatora.

Stvarne amplitude su vrlo male: uz zvučni tlak od 1 µb amplituda je oko 1 nm.

Duž bazilarne membrane val se proširi za 5 ms.


Vrhovi cilija zabodeni su u tektorijalnu membranu.

Kod savijanja bazilarne membrane dlačice se odgovarajuće deformiraju, te se zbog mehaničkog naprezanja u cilijarnimstanicama mijenjaju elektrokemijski uvjeti (stvara se elektrostatski naboj i time negativni istosmjerni potencijal (dooko 80 mV), mijenja se otpor stanice i time dolazi do modulacije struje, te nastaju impulsi koji nose informaciju. Ti impulsi se dalje odvode snopom živaca koji završavaju neuronima na odgovarajućim mjestima u mozgu.

Time se razlikuje analogna kohlearna mikrofonska struja i živčana (neuronska) akciona struja, koja je u obliku strujnih impulsa. Signal se do mozga prenosi pulsno-frekvencijski moduliran, dakle u kodiranom obliku. O broju impulsa koji protječu kroz neurone ovisi primarna obrada signala.


Broj impulsa po neuronu je do oko 150 u sek i direktno su proporcionalni glasnoći.

Neuron je funkcionalna i strukturalna jedinica nervnog sustava. On može informaciju (impuls) primiti i dalje je uputiti. U tu svrhu postoje izdanci, dendriti i axoni. Informaciju između njih prenose synapse.

Neuroni su kod sisavaca uvijek u snopovima, te ih se naziva živčanim snopovima.

Sl. 5.17. Neuronsko stablo.


Sl. 5.18. Struktura pužnice


Prikaže li se pužnica razmotano, vidljivi su različiti presjeci po dužini.

bubnjić

čekić

nakovanj stremen i ovalni prozorčić

okrugli prozor

bazilarna membrana

helicotrema 0,25 mm2

Sl. 5.19. Funkcionalni presjek uha s razmotanom pužnicom.


Bazilarna membrana titra frekvencijski selektivno, pa je se može podijeliti po dužini na 25 pojasa. Ti pojasi, odnosno frekvencijske grupe imaju do oko 500 Hz pojasnu širinu od oko 100 Hz, a iznad 500 Hz im je približno jednaka terci.Tonska grupa unutar svakog pojasa naziva se bark (prema Barkhausenu, koji je uveo jedinicu za mjerenje glasnoće, fon).

Jednom barku pripada na bazilarnoj membrani duljina od oko 1,3 mm. Svaki pojedini bark nije fiksiran na svoje posebno mjesto, nego se može pojaviti bilo gdje na bazilarnoj membrani na duljini od 1,3 mm, uz već spomenuta svojstva pri pojavi putujućeg vala.

Sl. 5.20. Principni izgled i razmještaj barkova.


Sl. 5.21. Razmještaj centralnih frekvencija barkova.


5.3. SVOJSTVA SLUHA

5.3.1 PRAGOVI SLUHA

Zahvaljujući velikom dinamičkom području sluh je u stanju obraditi kako npr. zujanje komarca, tako i npr. buku udarajućeg čekića.

Sl. 5.22. Slušnaploha, prag čujnosti i bola.

prag bola

govor

prag čujnosti


Sl. 5.23. Slušna ploha zdravog čovjeka ovisna je o njegovoj dobi.


Sl. 5.24. Prag razlučivanja razine u odnosu na prag čujnostikod različitih životinja


Sl. 5.25. Prag čujnosti za vrste (primati): Tupaia glis (tree shrew), Galago senegalensis (bush baby), Macacanemestrina (makaki), Pan paniscus (čimpanza) i Homo sapiens (čovjek)


Sl. 5.26. Audiogrami nekih većih sisavaca1 - Ovis aries - ovca2 - Equus caballus - konj3 - Bos taurus - govedo5 - Elephas maximus - indijski slon


Različitost krivulja koje predočuju ovisnost praga čujnosti o frekvenciji nametnula je potrebu da se odabere jedna koja će služiti kao norma.

Za prag čujnosti na frekvenciji od 1000 Hz odabran je zvučniintenzitet od 10-12 W/m2, što odgovara zvučnom tlaku od 20 µPa.

Kao što postoji na pojedinim frekvencijama najniži zvučni tlakkoji uho još čuje kao ton, tako će postojati i najviši zvučni tlakkoji se na pojedinim frekvencijama smije privesti uhu, a da se ne osjeća neugodnost ili da se ono ne ošteti. Taj zvučni tlaknaziva se pragom bola.

Na sl. 5.28 prikazano je kako prag bola ovisi o frekvenciji. Tajprag predstavlja zvučni tlak koji je 120 dB (milijun puta) viši odnulte razine.


Svakoj čujnoj frekvenciji pripada neki najniži zvučni tlak kojiuho upravo još čuje. Taj tlak je, kao što se vidi na sl. 5.28, ovisan o frekvenciji.

Primjerice, da bi se na frekvenciji od 30 Hz došlo do pragačujnosti, treba uhu privesti zvučni tlak koji je oko 60 dB viši odtlaka na pragu čujnosti frekvencije od 1000 Hz.

Mjerenje praga čujnosti u principu je jednostavno, ali ima većihpoteškoća prilikom mjerenja na frekvencijama nižim od 30 Hz. Budući da su u tom području potrebni veliki intenziteti, teško jeizbjeći pojavu harmonika. S obzirom da uho na niskimfrekvencijama ne razlikuje oštro visinu tona, lako se može dogoditi da se osnovni ton zamijeni harmonikom.

Čak i kad bi izvor proizvodio čisti ton, zbog nelinearnosti sluhamože se uhu pričiniti da čuje osnovnu frekvenciju, koja jezapravo nečujna.


Na visokofrekvencijskom području krivulja praga čujnosti naglose diže.Na kojoj frekvenciji nastaje prekid čujnosti ovisi o starostiosobe.Mladi ljudi čuju katkad frekvencije i više od 20000 Hz, dokosobe starije od 50 godina rijetko čuju frekvencije iznad 15000 Hz, a katkad niti više od 10000 Hz.Zahvaljujući takvom obliku krivulje praga čujnosti čovjek ne čujena niskim frekvencijama vlastitu probavu i rad srca, a na višimBrownovo molekularno gibanja (u uzduhu) kao stalno šuštanje i trajno kolanje krvi.Krivulje pragova čujnosti lijevog i desnog uha nisu identične. Vrlo se rijetko poklapaju u nekom užem frekvencijskompodručju, a često se sijeku na više mjesta.


Promjene karakteristika praga čujnosti mogu biti prolazne (temporary threshold shift, TTS) ili trajne (PTS, permanent TS).

Nagluhost i gubitak sluha mogu biti a) konduktivni i /ili b) perceptivni.

To znači a) gubitak sluha zbog mehaničkih poteškoća, i često je moguća kirurška pomoć.

b) perceptivna nagluhost je posljedica degenerativnih promjena na cilijarnim stanicama i živčanih završetaka u pužnici.

Audiometar je ambulantni/laboratorijski uređaj za mjerenje osnovnih svojstava sluha.

Kod oštećenja srednjeg uha, a sačuvanog unutrašnjeg, moguće je izmjeriti audiogram dovođenjem mjernog signala odgovarajućim vibratorom na mastoid, odnosno kost iza školjke.


Sl. 5.27. Oštećenjecilijarnih stanica Cortijevog organa zbog utjecaja buke.

Oštećenje je ireverzibilno i uzrokuje oko 50% gubitka sluha


5.3.2. OSJET GLASNOĆE

Kao što je prikazano, ovisnost praga čujnosti o frekvenciji je vrlo velika. To vrijedi i za zvučne tlakove iznad praga čujnosti, pa se može općenito ustvrditi da dva tona jednakih zvučnih tlakova, ali različitih frekvencija nemaju jednaku glasnoću. Glasnoća nekog zvuka mjeri se obično tako da se uspoređuje s glasnoćom tona frekvencije 1000 Hz. Za ljestvicu zvučnih tlakova na toj frekvenciji uzeta je skala decibela s nultom vrijednosti na referentnom zvučnom tlaku od 20 µPa.

Na temelju slušnog uspoređivanja može se, mijenjajući zvučni tlak na toj frekvenciji, ugoditi ista glasnoća koju ima mjereni zvuk. Ako se takvom usporedbom dobije da mjereni zvuk ima istu glasnoću kao ton frekvencije 1000 Hz na razini zvučnog tlaka od 80 dB iznad referentne razine, onda se smatra da mjereni zvuk ima razinu glasnoće od 80 fona.

Prema tome, jedinica za glasnoću je fon.


Za frekvencije čistih tonova iznad i ispod 1000 Hz fonskaljestvica se razlikuje od skale decibela. Tako je npr. utvrđenoda ton frekvencije 100 Hz ima glasnoću od 80 fona prizvučnom tlaku od 85 dB iznad referentne razine., ili npr. glasnoća od 80 fona pri 3500 Hz zahtijeva razinu zvučnogtlaka od 70 dB.

Rezultati mjerenja s pomoću čistih tonova za cijelu slušnuplohu između praga čujnosti i praga boli prikazuju se krivuljama iste glasnoće ili izofonama.

Kad se mijenja intenzitet nekog zvuka, promjena morapremašiti određenu granicu da bi uho to osjetilo kao promjenuglasnoće. Prag razlikovanja zvučnog intenziteta ovisi o frekvenciji i jakosti, ali i o nekim drugim čimbenicima (npr. metodi mjerenja).


prag čujnosti

Sl. 5.28. Osjetljivost uha i izofonske krivulje.

Elektroakustika 2007.Fonska ljestvica ne pokazuje kako uho razlikuje glasnoću.

Npr., povećanje buke uz pojavu još jednog, identičnog izvora zvuka povećati će razinu s npr. 80 fona na 83 fona.

Međutim, pad razine zvuka s npr. 100 na 90 fona, dakle smanjenje za 10%, uho će znatno jače osjetiti. Zato je uvedena skala glasnoće u sonima i jedinica son kod koje porast razine glasnoće za 10 fona odgovara povišenju za dvostruki broj sona (slika 5.29). Sl. 5.29. Glasnoća u sonima.


Prema definiciji, na razini glasnoće od 50 fona na skali glasnoće u sonima to je glasnoća od 1 sona. Svaki porast od 10 fona donosi podvostručenje glasnoće u sonima.

Lf= 50 + 33 log LsLf , Ls razine glasnoće u fonima i sonima


Ispitivanja pomoću metode amplitudne modulacije čistih tonova frekvencijom od 5 Hz pokazala su da na razini glasnoće od oko 20 fona ljudski sluh zamjećuje ukupnu promjenu glasnoće od oko 2 dB.

Na razinama glasnoća od 30 do 80 fona prag razlikovanja intenziteta kontinuiranog šuma iznosi oko 1,5 dB.

Ako se slušaju kompleksni zvukovi (govor, glazba), primijetljiva promjena zvučnog intenziteta je ispod 1 dB, a na razini od 100 fona zamjetljiva promjena je bila 0,2 dB (stupanj modulacije 1%).

Istraživanja su pokazala da u području zvučnih intenziteta između 30 dB i 120 dB ljudski sluh može razlikovati oko 235 stupnjeva glasnoće.


Sl. 5.30. Upravo perceptibilne promjene glasnoće.


Da bi se neki ton osjetio u njegovoj stvarnoj glasnoći mora sluh biti izložen zvučnoj energiji neko minimalno, određeno vrijeme.

Smatra se da je obrada signala u vezi definitivnog određivanja glasnoće završena nakon 200 ms.

Sl. 5.31. Minimalno vrijeme potrebno za percepciju promjene glasnoće.


Izračunavanje razine glasnoće

Posebna je osobina frekvencijske grupe od jednog barka u tome što razina glasnoće ovisi samo o zvučnom intenzitetu, odnosno o efektivnoj vrijednosti zvučnog tlaka.

Svejedno je kakav zvuk pobuđuje bazilarnu membranu na širini od jednog barka: npr. uskopojasni šum s frekvencijama preko tog barka ili samo jedan ton u sredini pojasa. Uz jednaku efektivnu vrijednost zvučnog tlaka oba signala razina percipirane glasnoće će biti jednaka.

Ako zvuk zbog svog frekvencijskog sastava zahvaća dva ili više frekvencijska pojasa uz istu efektivnu vrijednost zvučnog tlaka rasti će i razina glasnoće.

Na osnovi toga se može izračunati razina glasnoće koja se dobije od više zvučnih izvora, zbrajajući njihove intenzitete.


Ako n zvučnih izvora djeluje istodobno, ukupni je intenzitet:

I = I1 + I2 + I3 +...+ InZa ukupni zvučni tlak vrijedi:

p = √p12+ p22+ p32+...+pn2

Ako n jednakih zvučnih izvora proizvodi zvuk ukupna razina glasnoće je:

L = 10 log (n I)/ I0 = L1 + 10 log n (fona)

pri čemu je L1 razina glasnoće pojedinog izvora.

Dva jednaka izvora dat će razinu glasnoće za 10 log 2 = 3 fona višu od one pojedinog izvora (slika), itd.


promjena glasnoće broj izvora promjena zv. tlaka

osnovna glasnoća - - × 1

jedva glasnije +1 dB ×1,1

čujno glasnije +3 dB ×1,5

dvostruko glasnije +10 dB ×3

5 × glasnije +20 dB ×10


Ukupna razina glasnoće izračunava se prema izrazu:

L = L1+ ∆L

odnosno prema sl.:

Sl. 5.32. Izračunavanje ukupne glasnoće više izvora


Ako je razlika između dva izvora veća od 6 fona, tiši se može zanemariti.

Sl. 5.33. Dijagram za određivanje indeksa glasnoće na osnovi oktavnerazine zvučnog tlaka.

Ako je glasnoća nepoznata, treba je izmjeriti zvukomjerom s oktavnim filtrom razine zvučnih tlakova u pojedinim oktavama te na osnovi N-krivulja izraziti indeks glasnoće S.


Ukupnu glasnoću Suk dobiva se zbrajanjem svih pojedinačnih indeksa glasnoće S:

Suk= Smaks +0,3 (ΣS - Smaks)

Faktorom 0,3 uzeta je u obzir pojasna širina i efekt maskiranja.

Broj sona dobivenih prema formuli treba prebaciti u glasnoću u fonima.

Ovakav postupak je upotrijebljiv ako je:

• spektar zvuka jednoličan, bez znatno izraženih komponenata

• zvuk kontinuiran,

• zvučno polje difuzno


5.3.3. OSJET VISINE TONA

Osjet ovisi o širini stvarno čujnog frekvencijskog pojasa i o ovisnosti između neke promjene frekvencije i o njoj ovisnog osjeta visine tona.

Osim toga dotični zvučni podražaj mora trajati dovoljno dugo da bi bio sa sigurnošću percipiran.

Osjet visine tona nije proporcionalan iznosu promjene frekvencije, nego omjeru promjene. Npr., porast frekvencije sa 100 na 120 Hz izaziva isti osjet promjene tona kao i promjena frekvencije s 5 kHz na 6 kHz. To znači da se osjet visine tona mijenja s logaritmom frekvencije.

Na osjet visine tona utječe i njegova glasnoća. Na frekvencijama od 20 Hz do 1500 Hz osjet visine tona se smanjenjem glasnoće za 50 dB mijenjao između 5% i 1,5%. Povećanjem glasnoće ton djeluje višim.

Elektroakustika 2007.Utjecaj razine zvuka na percepciju visine tona:

Povećanjem zvučnog tlaka primijećuje se kod niskih tonova pad, a kod viših tonova povećanje percipirane tonske visine.

U području oko 2 kHz nema tog efekta.

I najmanja percipirana promjena visine tona ovisi o razini zvučnog tlaka.

razl

ika

visi

ne to

na

zv. tlak

Sl. 5.34.Percepcija tonske visine u ovisnosti o frekvenciji

Sl. 5.35. Ovisnost percepcije promjene visine tona o zv. tlaku.


Do posebnog osjeta visine tona dolazi ako su frekvencije dva ili više istovremena tona u nekom određenom omjeru. Ako su to npr. cjelobrojne vrijednosti malih brojeva osjet tih tonova je harmoničan. Npr. 1:2 je oktava, 1:3 terca, 3:2 kvinta.

Najmanja razlika u visini dva tona koju čovjek može osjetiti ovisi o frekvenciji i intenzitetu zvuka.

Na frekvencijama iznad 500 Hz i uz glasnoće oko 70 fona pojavljuje se prag razlikovanja uz frekvencijsku devijaciju od oko 2 - 3 ‰ .

Prema nekim mjerenjima ljudski sluh može razlikovati 620 do oko 850 (Zwicker) stupnjeva tonskih visina.

Da bi se neki ton mogao prepoznati, mora trajati između 5 i 10 ms (za frekvencijsko područje između 500 Hz i 10 kHz). Ispod 100 Hz vrijeme prepoznavanja je dulje od 30 ms.


Frekvencijska karakteristika percepcije promjene visine tona: pokazuje se ovisnost o frekvenciji zvučnog događaja. Ispod 500 Hz osjeća se promjena frekvencije do oko 1,8 Hz, a iznad 500 Hz promjena mora biti oko 3,5 ‰ (Kremer).

Hz

upra

vo p

erce

ptib

ilna

razl

ika

frekv

enci

je (H

z)

Sl. 5.36. Ovisnost percepcije promjene visine tona o frekvenciji tona.


S obzirom na subjektivnost čovjek razlikuje dvije tonske visine: harmonijsku i melodijsku.

Harmonijska visina raste linearno s logaritmom porasta frekvencije (oktava, terca, kvinta), dok to kod melodijske iznad 500 Hz nije slučaj.

Jedinica za osjetnu veličinu tonske visine je mel (prema melodiji).

Čovjek čuje oko 10 harmonijskih i 6,3 melodijske oktave.


Sl. 5.37. Subjektivni osjećaj melodijske tonske visine.


VIRTUELNA VISINA TONA

Odstrani li se iz širokopojasnog spektra nekog tona nekoliko prvih harmonika, ostatak tona će subjektivno biti percipiran kao da je osnovni harmonik netaknut. Glazbena visina tona će dakle biti nepromijenjeno prepoznata, te se naziva residuumili virtuelna visina tona.

Sl. 5.38

Residuum.

Boja tona će se djelomice promijeniti, što će ovisiti o ukupnoj kompoziciji tona. Efekt se može povećavati sve do potpune iluzije osnovne visine tona.


5.3.5. BOJA TONA

Svaki zvuk uzrokuje subjektivni dojam koji se ne može objasniti jednostavnom fizikalnom analizom signala i njegovih spektralnih komponenti.

Za osjet boje tona nisu značajne samo frekvencije i amplitude pojedinih harmonika kompozitnog audio-signala, nego prije svega omjer njihovih frekvencija, međusobnog rasporeda i izobličenja vremena kašnjenja.

Pokazalo se da i šum može biti percipiran kao ton i imati svoju boju ako oko 70% njegove ukupne energije leži unutar pojasa širokog ± 5% neke frekvencije.

Pouzdano prepoznavanje velikog broja zvukova ovisi upravo o velikom broju specifičnih kombinacija broja harmonika, njihovih amplituda, kašnjenja itd. koji su iskustvom i učenjem sakupljeni i memorirani.


5.3.5. SUBJEKTIVNI TONOVI, TREPTAJI

Dva čista tona približno jednake glasnoće s minimalnom frekvencijskom razlikom čuju se kao jedan ton kojemu se glasnoća kontinuirano i ritmički mijenja.

Sl. 5.39.

Nastajanje treptaja.


Ako je broj treptaja veći od 6 - 7 u sek., kolebanje glasnoće nije više kontinuirano, nego je intermitentno.

Takvo kolebanje tonske ovojnice frekvencije ispod 20 Hz osjeća se često kao podrhtavanje zvuka. Jačina kolebanja izražava se jedinicom vacil.

Jačina kolebanja od 1 vacila je ako je sinusni ton frekvencije 1 kHz, razine 60 dB, moduliran s 5 Hz i dubine modulacije 1.

Kolebanje tonske ovojnice u frekvencijskom području između 30 i 300 Hz osjeća se kao “promuknutost” odnosno grubost.

Percepcija je neovisna o razini zvuka.

Jedinica grubosti je asper. Pri frekvenciji tona od 1 kHz, razine 60 dB, moduliranog sa 70 Hz i dubine modulacije 1, grubost tona iznosi 1 asper.


Ako razlika frekvencija dvaju tonova pada u čujno područje i glasnoća je dovoljno velika može se čuti i treći ton kojemu je frekvencija jednaka razlici dva osnovna tona. Tome je uzrok nelinearnost uha, zbog koje nastaju novi tonovi, i to ne samo razlike nego i zbrojevi osnovnih tonova. Takvi tonovi se nazivaju kombiniranim tonovima.

Uz veliku glasnoću mogući su i kombinirani tonovi koji su nastali od primarnih kombiniranih tonova.

Zbog nelinearnosti uha mogu nastati tonovi novih frekvencija i ako je uho primilo samo jedan ton. Npr. slušanjem 200 Hz dovoljne glasnoće u uhu će se pojaviti i njegovi auralniharmonici. Npr.: slušajući f1= 200 Hz i f2 = 605 Hz čuti će se treptaj koji je nastao od trećeg harmonika f1 i f2.


Ovisnost pojave subjektivnih (auralnih) harmonika o razini zv. intenziteta iznad praga čujnosti i frekvenciji.

Sl. 5.40. Čujnost auralnih harmonika.


Na sasvim niskim frekvencijama 2. harmonik je najčešće glasniji od osnovnog tona.

Harmonička izobličenja generiraju frekvencije:

m f1, n f2, m f1±n f2, gdje su m i n = 0,1, 2, 3, 5,

Mogu se pojaviti i intermodulacijska izobličenja, pa ton zvuči disonantno.


5.3.6. MASKIRANJE

Opće su poznate pojave maskiranja npr. govora drugim tonovima, šumom i sl.

Maskiranje je najčešće povezano podizanjem praga čujnosti.

razi

na z

vučn

og tl

aka

(dB

)

frekvencija (kHz)

Sl. 5.41. Maskiranje usko-

pojasnim šumom

fc= 1 kHz,

∆f=160 Hz


Slično je i maskiranje praga čujnosti sinusnim signalom (Feldtkeller i Zwicker) od 500 Hz.

Sl. 5.42. Maskiranje sinusnim signalom 500 Hz.

Elektroakustika 2007......i sinusnim signalom na 1200 Hz

Vidi se da je efekt maskiranja jači za frekvencije koje su međusobno bliske. Na sasvim bliskim frekvencijama ispitnog i smetajućeg tona nastaju treptaji koji otkrivaju smetajući ton većna niskim intenzitetima.

Sl. 5.43.

Maskiranje sinusnim signalom 1200 Hz.


Sl. 5.44. Maskiranje sinusnih tonova bijelim šumom.


Kod binauralnog maskiranja, koje je često, pokazuje se porast praga maskiranja, u prosjeku 50 dB.

Na prvoj karakteristici pokazan je rast praga uz privođenje oba tona istom uhu, a na drugoj uz privođenje osnovnog tona jednom, a smetajućeg drugom uhu. Krivulje su međusobno pomaknute za oko 50 dB, kolika je razlika zbog koštane vodljivosti između jednog i drugog uha. Maskiranje započinje tek kad zvuk prijeđe od jednog uha do drugoga, kostima glave.

Sl. 5.45. Binauralno maskiranje.


5.3.7. LOKALIZIRANJE IZVORA ZVUKA

Uobičajena lokalizacija je binauralna.

Moguće je lokalizirati izvor i samo s jednim uhom zahvaljujući posebnom obliku školjke i njezinom položaju na glavi, ali je točnost i pouzdanost lokalizacije mnogo manja.

Sl. 5.46.

Binauralno lokaliziranje


Sl. 5.47. Koordinatni sustav za određivanje prostornih značajki sluha.


Lokalizacija je većim dijelom bazirana na:

•vremenskoj razlici između lijevog i desnog uha (interauralne vremenske razlike IVR, interaural time difference)

• razlici u glasnoći lijevog i desnog uha zbog zasjenjivanja glave i školjki

• faznih razlika između oba uha pri kontinuiranom signalu (interauralne intenzitetne razlike IIR, interaural intensity difference)

• dinamičkoj lokalzaciji pomicanjem glave

• spektralnoj razlici zvuka ovisno o smjeru dolaska i analizi zvučne scene

Procesiranje zvuka počinje 7... 35 µs nakon što prva promjena zvučnog tlaka stigne do bubnjića.


Sl. 5.48. Mjerenje i računanja interauralne vremenske razlikeIVR

( )ϕϕ sin2

+=∆Ds


Kod uobičajene brzine zvuka u laboratorijskim uvjetima najveći IVR iznosi oko 690 µs.

Sl. 5.49. Dvoznačnost IVR i konus konfuzije.Vidljivo je da za pozitivne azimute (od 0° do 180°) postoji dvoznačnost, odnosno ista vrijednost IVR-a se dobije simetrično oko vertikalne ravnine. Taj je fenomen poznat pod nazivom "konus konfuzije“.


Taj problem se smanjuje ili potpuno neutralizira dinamičkom lokalizacijom pomicanjem glave (“nul-metoda”).

Sl. 5.50. Dinamička lokalizacija u tri dimenzije.

Smatra se da je najmanja perceptibilna razlika ≈3µs.

To odgovara oštrini od 30 do 50 (najveća oštrina 10).


Interauralne intenzitetne razlike IIR

Zvuk niske frekvencije ima veliku valnu duljinu u usporedbi s dimenzijama glave (npr. ton od 100 Hz ima valnu duljinu oko 3,5 m). Zato dolazi do ogiba oko glave pa nema izrazite pojave zvučne sjene.

Na visokim frekvencijama kada je valna duljina zvuka manja od dimenzija glave, ona predstavlja zvučnu sjenu pa nastaje osjetna razlika u intenzitetu zvuka koji dolazi na lijevo i desno uho, pogotovo ako se izvor zvuka nalazi u horizontalnoj ravnini blizu azimuta 90°.

Ta razlika u intenzitetu također predstavlja mehanizam određivanja lokacije izvora u prostoru.


Sl. 5.51. Interauralne intenzitetne razlike u ovisnosti o frekvenciji i azimutu.


Sluh može zamijeniti IIR za IVR i to zove postupak zamjene (trading), i označava se kao kompenzacijski faktor [µs/dB]

Sl. 5.52. Kompenzacijski faktor za različite glasnoće.

Ovisan je o glasnoći, ali i o tranzijentnim i spektralnim svojstvima signala.

Elektroakustika 2007.Sluh analizira vremenske razlike do oko 1,6 kHz (time image).

Kompenzacijski faktor je do 50 µs/dB.

Osim percepcije (bitnije) vremenske razlike sluh percipira i tlačne razlike, i to po cijelom frekvencijskom području (intensityimage). Kompenzacijski faktor je 200 - 70 µs/dB. Ispod 500 Hz tlačne razlike ne daju pouzdane vrijednosti zbog ogiba. Tlačne razlike od 8-10 dB subjektivno pomiču izvor potpuno u stranu.

Sl. 5.53. Zamjena tlačnih s vremenskim razlikama i obratno.


Za pomak iz medijalne ravnine lateralna oštrina iznosi između 0,8 i 1,5 dB.

Osim vremenskih i tlačnih razlika uho procesira vremenske pomake ovojnice signala oba uha od 100 Hz do 20 kHz.

Kompenzacijski faktor je od 2 - 200 µs i pada s porastom glasnoće.

Kod širokopojasnih signala se za lokalizaciju koriste i razlike u boji tona koje nastaju zbog razlika u razini zvučnog tlaka.

Oštrina lokalizacije u horizontalnoj ravnini u osi uha (900) je oko ±9,20, a sasvim straga (1800) ± 5,50.

U medijalnoj ravnini oštrina je znatno manja: naprijed ±90, gore ±130 do ±220 i straga ±150.


Sl. 5.54. Točnost lokalizacije u horizontalnoj (desno) i medijalnoj ravnini (lijevo).


Sl. 5.55. Točnost lokalizacije u horizontalnoj ravnini sa samo jednim uhom.


Sluh preferira prednji brid signala koji označuje pad tlakazvuka (negativni polaritet signala) u odnosu na porast tlaka.

U slučaju dva istodobna signala, ali različite faze, slušni dojam će biti asimetričan (pomaknut u onu stranu s koje je stigao podtlak) i relativno neoštar. Razlog neoštroj lokalizaciji je u karakteristici izobličenja vremena kašnjenja. Tada su neki dijelovi spektra pomaknuti u odnosu na druge pa se slušni dojam “raspada” na dijelove različitih tonskih visina. Nastaje privid proširenja slušnog doživljaja.

Ta pojava se u praksi može iskoristiti za kontrolu fazno-ispravnog spajanja zvučnika.


Sl. 5.56. Karakteristika izobličenja vremena kašnjenja zbog interauralnog faznog pomaka


Dva izvora zvuka između kojih je mala vremenska ili tlačna razlika stvaraju subjektivno jedan, virtuelni zvučni izvor.

Radi se o lokalizaciji na osnovi sumiranja, što se koristi kod stereofonskog prijenosa.

Ako je vremenska razlika između oba signala na mjestu slušatelja veća od 1 ms, pozicija slušnog doživljaja ovisi o poziciji izvora čiji signal je prvi stigao do slušatelja. Drugi izvor postaje irelevantan u lokalizacijskom smislu. Taj efekt, važan kod ozvučavanja, zove se zakonom prvog valnog čela (efekt predhodnosti, precedence effect, Cremer 1958.).

Prekorači li kašnjenje neku gornju granicu, nastaju dva slušna doživljaja, čije pozicije uglavnom ovise o pozicijama izvora. Drugi slušni doživljaj naziva se jekom.


Sl. 5.57. Prag jeke


Prag jeke nije oštra granica, ovisi o vrsti i glasnoći signala te smjeru upada, i kreće se između 35 i 50 ms.

Kod impulsne pobude prag se može pojaviti već kod kašnjenje od 2 ms, a za govor oko 20 ms.

Povećanjem glasnoće prag se smanjuje, tj. jeka se pojavljuje kod manjeg vremena kašnjenja.

Haas je ustanovio (1939.) da kasni li zvuk iz jednog izvora u odnosu na drugi (jednaki signali su iz oba izvora) za 5 - 35 ms (govor 10 - 20 ms), slušatelj čuje samo zvuk koji ne kasni. Uz kašnjenje od 35 - 50 ms čuje se i drugi zvuk, ali iz smjera nezakašnjelog (dolazi do subjektivnog povećanja zvučnog izvora). Kod još većeg kašnjenja čuje se jasna jeka. Uz kašnjenje od 5 - 35 ms može sekundarni zvuk biti i do 10 dB glasniji od primarnog a da ga slušatelj ne čuje.

Elektroakustika 2007.Ako su ušni signali koherentni (k=1) nastaje jedinstveni slušni doživljaj s težištem u medijalnoj ravnini i subjektivno je relativno malih dimenzija. Može se pojaviti i lokalizacija u glavi (LUG).

Sl. 5.58. Oštrina lokaliziranja ovisna je o stupnju koherentnosti signala k.

Smanjenjem stupnja koherentnosti povećava se područje pojave slušnog doživljaja, da bi se pri maloj koherentnosti slušni doživljaj raspao na dva (k=0,2).


Koherentni izvori u akustici zadovaljavaju sljedeća svojstva:

• signali imaju jednaki valni oblik, samo amplitude mogu biti različite (razlika u amplitudi im je neovisna o frekvenciji)

• imaju određeno vremensko kašnjnje u dolasku na uha koje nije ovisno o frekvenciji

• signali mogu biti invertirani jedan u odnosu na drugog, odnosno imaju faznu razliku od 180°.

Ako u prostoru postoje dva koherentna zvučna izvora, ispitanik će lokalizirati jedan zvučni izvor na poziciji jednog izvora, drugog ili negdje između pozicija tih izvora, ili dva zvučna izvora čije pozicije ne moraju odgovati stvarnim pozicijama zvučnika. Takva percepcija nastaje zbog efekta prvog valnog čela.

Elektroakustika 2007.Jedan od osnovnih mehanizama koje sluh koristi kod određivanja smjera dolaska zvuka je matematički model interauralne križne korelacije.

Križna korelacija između dva signala pokazuje općenito njihovu sličnost. Amplituda maksimuma je to veća što su signali međusobno sličniji, a pozicija maksimuma u funkciji križne korelacije proporcionalna je kašnjenju među tim signalima.

Interauralna križna korelacija u normaliziranom obliku:

rmsrmsT

T

T

T

T

TT yx

tytx

dttydttxT

dttytxT

c⋅

+=

+=

∫ ∫

∫+

−

+

−

+

−

∞→

)()(

)()(21

)()(21

lim)(22

ττ

τ

c(τ) je koeficijent križne korelacije, x(t) i y(t) su trenutne vrijednosti amplitude na lijevom i desnom uhu, xrms i yrms su efektivne vrijednosti amplitude na lijevom i desnom uhu, τ je kašnjenje signala između oba uha


Osjet udaljenosti gibanja izvora

Ako se ocjenjuje udaljenost poznatog izvora, osjet udaljenosti će ovisiti o njegovoj glasnoći. Ako postoji nekoliko poznatih izvora glasnoća će se moći i međusobno usporediti.

Kod većih udaljenosti može doći do promjene spektra primljenog zvuka zbog apsorpcije površine iznad koje se zvuk gibao.

U zatvorenim prostorima vrlo je važan omjer direktnog i reflektiranog zvuka koji, uz poznat oblik i akustička svojstva prostorije, može pomoći u određivanju udaljenosti izvora.

Apsolutna udaljenost se određuje s relativno velikom greškom.


Sl. 5.59. Točnost određivanja udaljenosti izvora za impulsni zvuk, u horizontalnoj ravnini za azimut 0°.


Poznatiji efekti, npr.:

• Coctail-party efekt

• Franssenov efekt

• Cliftonov klik


Literatura:5.1 Jelaković, T.: Zvuk, sluh, arhitektonska akustika, 2. izdanje, Zagreb, Školska knjiga, 1978.

5.2 Blauert, J. (Ed): Communication Acoustics, New York, Springer Berlin, 2005., ISBN-13 978-3-540-22162-3

5.3 Everest, F.A.: The master handbook of acoustics, 2nd edition, McGraw-Hill, USA, TAB books, 1989., ISBN 0-8306-9396-3

5.5 Blauert, J. : Räumliches Hören, Stuttgart, S. Hirzel Verlag, 1974., ISBN 3-7776-0250-7

5.6 Franz, D.: Elektroakustik, München, Franzis Verlag, 1990., ISBN 3-7723-9421-3

5.7 Tirić, I. : Psihoakustička svojstva toplokrvnih životinja, dipl. rad FER,

Zavod za elektroakustiku, Zagreb, 1999.

5.8 Jambrošić, K. : Prostorna razlučivost zvučnih izvora u akustički različitim prostorima, doktorska disertacija FER, Zagreb, 2002.

5.9 www.dasp.uni-wuppertal.de/arsauditus


Izvor slika:sl. 5.1 www.dasp.uni-wuppertal.de/arsauditus

sl. 5.2 www.dasp.uni-wuppertal.de/arsauditus

sl. 5.3 lit. 5.2


sl. 5.5 lit. 5.1

sl. 5.6 lit. 5.1














sl. 5.19 lit. 5.6

sl. 5.20 lit. 5.5

sl. 5.21 lit. 5.6



sl. 5.24 lit. 5.7

sl. 5.25 lit. 5.7

sl. 5.26 lit. 5.7



sl. 5.29 lit. 5.1



sl. 5.32 lit. 5.1

sl. 5.33 lit. 5.1





sl. 5.37 lit. 5.1



sl. 5.40 lit. 5.1



sl. 5.43 lit. 5.1


sl. 5.45 lit. 5.1


sl. 5.47 lit. 5.8

sl. 5.48 lit. autor

sl. 5.49 lit. 5.8

sl. 5.50 lit. autor


sl. 5.51 lit.5.8.

sl. 5.52 lit. autor

sl. 5.53 lit. autor

sl. 5.54 lit. autor

sl. 5.55 lit. autor

sl. 5.56 lit. autor

sl. 5.57 lit. autor

sl. 5.58 lit. autor

sl. 5.59 lit. autor

Documents

New 5. SLUŠNA AKUSTIKA Toroman/NPP DBBT/I... · 2019. 4. 12. · Cijelo unutrašnje uho ispunjeno je limfom. Na dijelu stijenkekoja graniči sa srednjim uhom dva su otvora, ovalni