Fiziološka akustika

Subjektivni osećaj zvuka

Anatomija i fiziologija čula sluha

Prof. dr Vlado Delić, okt. 2013.

2

Uloge u životu čoveka

opstanak

čuje zvuk sa svih strana,

čak i kad spava

sporazumevanje

govor, muzika, sirena

alternative: pismo

i pantomima

Glas bolje izražava (a uho oseća)

pol i starost, raspoloženje, smisao i značenje

3

Čulo sluha

Oseti i razlikuje k-ke zvuka koje potiču od

izvora

sistema prenosa

akustičkog ambijenta

na mestu generisanja i na mestu prijema

Složen i osetljiv mehanizam

prijemnik zvuka (kao mikrofon)

filtar i analizator zvuka – u zajednici sa mozgom

sistem za obradu podataka (kao računar)

4

Šta uho razlikuje?

nivo

visinu

boju

intenzitet signala

osnovni harmonik

oblik obvojnice spektra

Uho ne razlikuje fazu.

Fizičke karakteristike zvuka,

na osnovu kojih uho uočava ove razlike,

izražene su u spektru audio-signala.

5

Demonstracija jačine zvuka

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frekvencija [Hz]

Am

plitu

da

loud 0loud 1loud 2

6

Osećaj jačine zvuka

Zavisi od jačine fizičke pobude i spektra

Koliki je prag čujnosti? 1010 puta manji od atmosferskog pritiska

odgovara pomerajima čestica vazduha od 10-11 m

nivo pomeraja toplotnog kretanja molekula vazduha

da je osetljivije uho bi čulo ovaj šum i šum krvotoka nema živih bića sa još osetljivijim čulom sluha (?)

Kolika je granica bola? pomeraji čestica od 10-5 m

pomeraji organa čula sluha su bolni

dinamički opseg

veći od mnogih uređaja za snimanje i reprodukciju zvuka

Hz) 1000 (na Pa102 5

0

p

dB12010log20log20 6

0

max p

p

7

Demonstracija visine tona

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Frekvencija [Hz]

Am

pli t

uda

Pitch 0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Am

pli t

uda

Frekvencija [Hz]

Pitch 1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Am

pli t

uda

Frekvencija [Hz]

Pitch 2

8

Osećaj visine tona

Zavisi od frekvencije signala

ocenjuje se kao niži ili viši

Zapaža se samo kod zvučnih signala (ne šum)

tonovi muzičkih instrumenata i vokali ljudskog glasa

periodični signali imaju diskretan (linijski) spektar

osnovna frekvencija i viši harmonici

Osnovni harmonik ocena visine tona

čak i kad ne postoji (npr. izvan opsega reprodukcije)

Sazvučje 2 tona (interval), 3 tonova (akordi)

harmonični (1:2, 2:3, 3:4) i disharmonični (npr. 8:9)

9

Demonstracija boje zvuka

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frekvencija [Hz]

Am

pli t

uda

Timber 0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Frekvencija [Hz]

Am

p lit

uda

Timber 2

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Frekvencija [Hz]

Am

pli t

uda

Timber 1

10

Osećaj boje zvuka

Vezan za obvojnicu spektra

različite amplitude harmonika

Uho je frekvencijski analizator

nezavisno analizira svaku spektralnu komponentu

spektralna analiza se vrši kontinuirano u vremenu

Spektralna analiza se vrši u okviru tzv. kritičnih

opsega – oko najjače pobude

Prostorija i ambijent

dopunjuju boju zvuka brojnim refleksijama

doprinose zvučnom reljefu – osećaju udaljenosti izvora

11

Faza

Uho je relativno neosetljivo na fazu

12

Osećaj promene zvuka

Promene zvuka u vremenu i prostoru

bogatstvo i raznovrsnost zvučnih utisaka

Promene u vremenu: elementi muzike

promena visine tona:

promena jačine zvuka:

sukcesivno naglašavanje:

13

Šum (i buka)

Akustičke pojave

impulsi, trenje, udari

konsonanti

usviravanje orkestra

Kontinualan spektar

ne postoji osnovna

učestanost

Razlikujemo

jačinu

boju

Buka (posebna tema)

izvori, putevi prostiranja

merenje i analiza

zaštita od buke

Anatomija i fiziologija

slušnih organa

Spoljašnje, srednje i unutrašnje uho

Osećaj visine tona (frekvencija i pič)

Osećaj jačine zvuka (dB, foni i soni)

Binauralna lokalizacija i zvučni reljef

15

Anatomija i fiziologija slušnih

organa

Od 19 veka u radovima

Oma

Helmholca

Anatomija

Fiziologija

J

K

16

Poprečni presek uha

Slušne koščice

Bubna opna

Pužasto teloKohlea

Presek kroz uho

Ušna školjka

Slušni kanal

sp

oljašnje

sred

nje

unu

trašn

je

17

Poprečni presek uha (spoljašnje)

Slušne koščice

Bubna opna

Pužasto teloKohlea

Presek kroz uho

Ušna školjka

Slušni kanal

2.5 cm 0.4 cm2

pritsak

pritsak

pritsak

zatvoren krajotvoren kraj

l c k

f 4

1 2

prilagođenje po snazi

na 1 kHz

Ušna školjka:

pojačava

fr. 3-5 kHz

za 15-20 dB

Šaka iza uva pojačava još 5-10 dB

Slušni kanal:

pojačava

fr. 3-4 kHz

za oko 12 dB

a fr. oko 7 kHz

za svega 3 dB

18

Poprečni presek uha (srednje)

Slušne koščice

Bubna opna

Pužasto teloKohlea

Presek kroz uho

Ušna školjka

Slušni kanal

transformator za prilagođenje

vazduh

limfa

p

v

19

Spoljašnje, srednje i

unutrašnje uho

20

Presek razmotane kohlee

21

Pužasto telo – Kohlea

Kohlea

Taktorijalna

membrana

Unutrašnjetrepljaste

ćelijeSpoljašnjetrepljaste

ćelije

Slušni nerv

Bazilarnamembrana

Kohlea

Frekvencija

Položaj

Ovalni otvor Bazilarnamembrana

Poprečni presek

22

Kortijev organ

Ćelije na bazilarnoj

membrani

spoljnje i unutrašnje

Tektorijalna membrana

nalazi se iznad ćelija

23

Oštećenje čula sluha zbog

buke

Dijagnoza:

Oštećenje cilijarnih

stanica Cortijevog

organa zbog uticaja

buke.

Oštećenje je ireverzibilno

i uzrokuje oko 40%

gubitka sluha.

24

Položaj maksimalnog pomeraja

bazilarne membrane za različite

frekvencije pobude

25

Kako čujemo?

Spoljašnje uho

Srednje uho

Kohlearni fluidi Unutrašnje trepljaste

ćelije

Slušni nerv

zvuk 16 kHz

50 Hz

35 mm0

Fre

kven

cija

Položaj0 1 2 3 4

02

0-2

0-4

0-6

0

Frekvencija kHz

Am

pli

tuda

dB

26

Frekvencijska osa u akustici

Udvostručavanje visine tona

50, 100, 200, 400, 800, 1600 Hz

čujemo kao promenu za isti interval (linearno)

iako je promena u hercima sve veća

Osećaj visine tona srazmeran je logaritmu fr. visina tona log f

frekvencijska osa je u logaritamskoj razmeri

Podela frekvencijske ose

oktava (2:1), 12 polutonova ( , po 6%)

poluton nije najmanja promena koju uho zapaža

06,1212

Uho čuje

logaritamski !

27

Osećaj promene visine tona U

hu p

rim

etn

e p

rom

ene

fek

ven

cije

850 segmenata

bazilarne membrane

32 mm po 37 m.

Mel vs. Hz skala:

- ista do 500 Hz

- posle logaritamska

Mel skala je linearna

duž bazilarne

membrane.

Radna grupa ćelija

bazilarne membrane

- oko 100 mela.

28

Pič =

subjektivni osećaj frekvencije

Ton iste frekvencije različito se doživljava ako je tiši ili glasniji pič

Povećanjem intenziteta pič se pomera na gore kod viših frekvencija

jači zvuk izgleda viši

pič se pomera na dole kod nižih frekvencija

pojačavanjem disharmoničnog zvuka 168 i 318 Hz počinje da se čuje kao harmoničan ton 150 i 300 Hz

Pič se vezuje za melodijsku skalu kriva Mel-Hz kao pozicije Hz na bazilarnoj membrani

Pič od 1000 mela = frekvenciji od 1000 Hz samo za nivo od 60 dB

29

Jačina (nivo) zvuka

čujemo logaritamski

zavisi od frekvencije

zavisi od dužine trajanja

najniži pritisak p0= 2*10-5 Pa

dinamički opseg 120 dB

Weber–Fechner-ov zakon

00

log10log20J

J

p

pSPL

30

Čujni opseg

31

Govor i muzika

u čujnom opsegu

32

Prag čujnosti i granica bola - nisu isti na svim frekvencijama

33

Sužavanje čujnog opsega

sa starenjem

34

Audiogrami nekih većih sisara

35

Jačina (nivo) zvuka

čujemo logaritamski

zavisi od frekvencije

zavisi od trajanja - dB za objektivnu jačinu

- fon za subj. (fonometri)

- korekcione kke A, B i C

za subj. osećaj jačine

36

Osetljivost uha i

izofonske linije

37

Fonometri

38

dB i foni

dB – objektivni nivo zvuka

fon – subjektivni nivo zvuka (izofonske linije)

isto što i dB ali samo na 1 kHz

Duplo više izvora 3 dB viši nivo

Nivo viši za 10 dB ocenjuje se kao duplo jači

neki tvrde da je to 6 dB

39

Koliku promenu nivoa osetimo

Tiše tonove treba više

promeniti da bi opazili

Na 1 kHz

za tihe treba L oko 3 dB

za glasne dovoljno 0,25 dB

Na 35 Hz

za tihe treba L čak 9 dB

40

Promena glasnoće Broj izvora zvuka Promena

pritiska

Osnovna glasnoća 1

Jedva glasnije

+ 1 dB 1,1

Čujno glasnije

+ 3 dB 1,4

Duplo glasnije

+ 10 dB 3

Četiri puta glasnije

+ 20 dB 10

41

Prigušen razgovor, tiha muzika, buka u gradskom stanu...

Vrlo mirna okolina, buka gledalaca za vreme predstave...

Vrlo mirna bašta izvan grada...

Šuštanje lišća pri najslabijem vetru...

40

30

20

10

Gradski saobraćaj, bučan restoran, kupe u vagonu, daktilo biro...

Pisaća mašina, usisivač, radio, kancelarija...

Normalan govor, mirna ulica u gradu...

70

60

50

Avionska kabina, orkestar (forte), bučna radionica...

Jaka vika, teretni auto na 5 m, jak saobraćaj, bučne radionice...

90

80

Avionski motor (klipni) na rastojanju 3, eksplozija na 250 m rastojanja...

Parni čekić, kompresorska bušilica na rastojanju 2 m...

Motocikl bez prigušivača na 10 m rastojanja, buka u fabričkoj tkačnici...

120

110

100

Mirn

oN

orm

aln

oB

učn

oV

rlo bučn

o

Nivo buke u fonima

http://www.bruitparif.fr/en/soundscapes

42

Jačina (nivo) zvuka

čujemo logartitamski

zavisi od frekvencije

zavisi od dužine trajanja

sinusoide na 500 Hz

350 ms 100 ms

43

Percepcija glasnosti

u funkciji trajanja

Vremenska konstanta

uha je 100 ms

kraj obrade za 200 ms

Kraći zvuci moraju biti

glasniji

zvuk od 3 ms za 15 dB

Problem razumevanja

konsonanata (5-15 ms)

osetljivi na buku i

reverberaciju

44

Kriva frekvencijskog

maskiranja- principijelni izgled

Uho ne može registrovati

zvukove ispod ucrtane

granice maskiranja

sporije opada ka višim frek.

Prag čujnosti pomera se

naviše u zoni oko

pobudne frekvencije

Oblik krive se donekle

menja u zavisnosti od

frekvencije i intenziteta

maskirajućeg tona

45

Maskiranje uskopojasnim

šumom (f = 1kHz, f = 160Hz)

46

Maskiranje sinusnih tonova

belim šumom

47

Binauralna lokalizacija izvora

48

Lokalizacija izvora zvuka

Vremenska razlika između levog i desnog uha

fazne razlike – dominiraju do 1 kHz

Razlika u glasnoći levog i desnog uha zbog

zasenjivanja glave i ušnih školjki

razlike u intenzitetu – dominiraju iznad 1 kHz

49

Zakon prvog talasnog fronta

Prvo se čuje direktan zvuk, a potom refleksije

Ako je vremenska razlika između dva signala na mestu slušaoca veća od 1 ms

pozicija slušnog doživljaja zavisi od pozicije izvora čiji signal je prvi stigao do slušaoca

drugi izvor postaje irelevantan u smislu lokalizacije

Eksperiment sa govorom

stereo postavka zvučnika

dozirano kašnjenje i intenzitet iz drugog zvučnika

slušalac javlja kada opazi “refleksiju”

50

Fuzija audio signala

Nakon direktnog zvuka

uho prikuplja refleksije još 20-30 ms

rane refleksije doprinose intenzitetu zvuka

stiče utisak o

zvučnom izvoru – lokacija i dr. i

ambijentu – koliko brzo iščezava zvuk

Refleksije koje kasne za više od 50 ms

čuju se kao eho ili odjek (jeka)

51

Odjek (jeka)

Ako kašnjenje prekorači neku gornju granicu

nastaju dva slušna doživljaja – odjek (jeka)

njihove pozicije zavise od pozicija izvora

Prag jeke nema oštru granicu (kašnjenja)

kreće se između 35 i 50 ms

zavisi od vrste i glasnosti signala, i smera upada

povećanjem glasnosti prag se smanjuje,

tj. odjek se uočava kod manjeg kašnjenja

Najvažnija pitanja za ispit

Percepcija zvuka

Koje karakteristike zvuka uho razlikuje?

osećaj niva, visine i boje

Da li je uho podjednako osetljivo na svim frekvencijama?

Koje su granice radnog opsega čula sluha?

skicirati prag čujnosti i bola

Zašto su u akustici frekven-cijska i amplitudska osa u logaritamskoj razmeri?

Čulo sluha

Koji su delovi čula sluha?

Kako uho vrši frekvencijsku

analizu zvuka?

objasniti rad bazilarne membrane

Objasniti dB i fone (primeri).

Šta se dešava sa sluhom kad

čovek stari?

Objasniti efekat maskiranja

zvuka.

Kako čulo sluha opaža pravac

iz kog dolazi zvuk? 52