Tema 02Culosluhakaoprijemnik.pdf

AUDIO SISTEMI – 2. Čulo sluha kao audio prijemnik

20

2. ČULO SLUHA KAO AUDIO PRIJEMNIK Čulo sluha predstavlja senzorski deo čovekovog sistema za komunikaciju zvukom. Ono je anatomski i fiziološki prilagođeno zvučnim pojavama u vazduhu kao mediju (na primer, u vodi nije moguće odrediti pravac nailaska zvuka). U audio sistemima čulo sluha slušaoca predstavlja njihovu krajnju tačku. U fizičkom smislu izlazna veličina audio sistema je zvučni pritisak koji iz vazduha deluje na uvo, a u informacionom smislu izlaz sistema je zvučna senzacija koja nastaje pod dejstvom spoljašnje fizičke pobude. Čulo sluha se kao sistem može podeliti na dva osnovna dela: na fizički i na psihološki deo. Fizički deo čula sluha čini sve ono što se anatomski i fiziološki prepoznaje u njegovom sklopu: dva uva sa senzorima, centri u kori velikog mozga i nervni putevi koji ih povezuju. Psihološki deo čula sluha čini nematerijalna sfera u kojoj se javlja reakcija na zvučnu pobudu, i gde se stvara u svesti o zvuku koji se čuje. U takvoj podeli može se reći da fizički deo čula posreduje između zvučnog polja i svesti čoveka. Podela čula sluha na fizički i psihološki deo učinila je da se u delu akustike koji se bavi mehanizmima slušanja razviju dve relativno nezavisne oblasti. To su fiziološka akustika, koja se bavi funkcijom fizičkog dela čula, i psihološka akustika (ili “psihoakustika”) koja se bavi percepcijom zvuka i formiranjem zvučne slike. Za razumevanje rada audio sistema potrebno je poznavati osnovnih karakteristika oba dela čula sluha. U ovom poglavlju obrađene su tri teme koje se najvećim delom odnose na fizički deo čula sluha. To su: opšte osobine čula kao prijemnika, procesi na bazilarnoj membrani i subjektivni doživljaj jačine zvuka. U narednom poglavlju detaljnije se objašnjeni osnovi psihološke akustike. Detaljniji prikaz anatomije uva isložen je u Prilogu 3. 2.1 Opšte osobine čula sluha kao prijemnika zvuka Osetljivost čula sluha, kao njegova osnovna senzorska osobina, definisana je dijagramom oblasti čujnosti, prikazanim na slici 1.7. Međutim, za razliku od mikrofona kao prijemnika, u čulu sluha se odvijaju složeni procesi koji čine da je njegova osetljivost složen fenomen. Ona se ne može potpuno opisati na jednostavan način nekom jednobrojnom vrednošću ili jednim dijagramom, kao što je to kod mikrofona. Posebno u slučaju pobude zvukovima kompleksnog vremenskog i spektralnog sadržaja odziv čula sluha postaje veoma složen. Čulo sluha je prijemnik prilagođen trodimenzionalnom zvučnom polju. Njega čine dva fizički razdvojena senzorska sistema: levo i desno uvo. Mehanizam percepcije sa dva uva naziva se binauralno slušanje. Rad čula sluha opisuje se osetljivošću u domenu intenziteta pobude i domenu prostornih koordinata nailaska zvučne pobude.


21

Osnovna blok šema čula sluha Da bi se objasnile pojave koje utiču na složenost procesa slušanja, na slici 2.1 prikazana je pojednostavljena blok šema čula sluha. Ono se sastoji od dva prostorno razdvojena prijemnika: levog i desnog uva. Uši su postavljene sa suprotnih strana glave koja predstavlja simetričnu fizičku prepreku među njima. Talasne pojave na glavi kao prepeci proizvode razlike između pritisaka koji deluju na levo i desno uvo pL(t) i pD(t) (videti tekst u okviru o difrakcionim pojavama).

slušnikanal neuronski puteviBO i SK BM S

slušnikanal neuronski puteviBM S

centri umozgu

zvucni talas vibracije neuralni signali svest

putujuci talas

BO i SKp

L

pD

Slika 2.1 – Opšta blok šema koja uprošćeno prikazuje do danas poznate procese u čulu sluha. Oznake na slici: BO - bubna opna, Sk - slušne koščice, BM - bazilarna membrana, S - senzori.

Na svom putu od spoljašnje sredine do centara u mozgu zvučni signal menja fizičke oblike. Kroz spoljašnje uvo signal je u obliku zvučnog talasa koji se prostire kroz vazduh, nastavlja se u obliku mehaničkih vibracija bubne opne (BO) i slušnih koščica (SK), duž bazilarne membrane (BM) signal se prostire u vidu mehaničkog (″putujućeg″) talasa i najzad poprima oblik neuralnih električnih signala u senzorskim ćelijama (S) i duž neuronskih puteva. Na nivou neuronskih puteva pojavljuje se međusobni uticaju signala iz levog i desnog uva, što je simbolički označeno na šemi. Pristigle informacije obrađuju se u moždanim centrima, gde se od dva signala formira jedinstvena zvučna slika. Prikazana šema ne obuhvata puteve povratnih sprega koji postoje između nekih delova sistema (na primer, pojava povratne sprege koja iz centra u mozgu deluje na srednje uvo radi zaštite od zvukova visokih nivoa). Svaka faza prenosa signala sa slike 2.1 ima svoje specifičnosti koje utiču na ukupne osobine čula sluha. Priroda fizičkih procesa prenosa je takva da postoji značajna frekvencijska nelinearnost. Te nelinearnosti čine razliku između pobude koja deluje na senzore u unutrašnjem uvu slušaoca i pobude koja bi delovala na membranu mernog mikrofona kada bi se postavio na isto mesto u prostoru. Današnje poznavanje procesa prenosa informacija kroz pojedine delove čula sa slike 2.1 nije ujednačeno. Rad fizičkog dela čula sluha, spoljašnjeg, srednjeg, unutrašnjeg uva, poznat je u mnogim detaljima kako sa aspekta anatomije, tako i sa aspekta fizioloških procesa koji se u njima odvijaju. Međutim, psihološka sfera čula sluha oblast je u kojoj još uvek ima veoma mnogo nepoznanica i koja predstavlja široko polje istraživanja.


22

Uticaj fizičke prepreke na strukturu zvučnog polja može se ilustrovati na primeru kugle. Kugla kao prepreka unosi izvesne promenu u strukturi polja u odnosu na stanje koje je bilo kada se ona nije tu nalazila. Razlikuju se prednja strana, koja je izložena nailasku zvučnog talasa, i zadnja strana. Ljudska glava je po formi bliska kugli, pa se takvi zaključci mogu promeniti i na slučaoca u zvučnom polju. S prednje strane kugle javlja se refleksija, pa je polje u toj zoni rezultanta superponiranja direktnog i reflektovanog talasa. Sa zadnje strane zvučna energija dospeva difrakcijom, što podrazumeva izvesno smanjenje nivoa zvuka u odnosu na stanje pre unošenja kugle u polje. Promene nastale unošenjem kugle u zvučno polje izražavaju se promenama nivoa zvuka u odnosu na stanje pre toga ΔLp i ΔLz. Izraženost tih promena zavisi od odnosa talasne dužine i prečnika kugle d. Veličine relativne promene zvučnog pritiska ispred i iza prepreke ΔLp i ΔLz

funkcije su ovog odnosa. Na donejm dijagramu prikazane su vrednosti ΔLp i ΔLz u zavisnosti od odnosa prečnika kugle i talasne dužine, što implicitno predstavlja njihovu zavisnost od frekvencije. Vidi se da postoji jedna granična oblast frekvencija, približno u okolini d/λ = 0,1 ispod koje kugla svojim prisustvom ne utiče na strukturu zvučnog polja. Iznad te oblasti počinje

uticaj kugle kao prepreke, što podrazumeva povišenje nivoa zvuka ispred nje, i smanjenje iza. Pojava opisana na primeru kugle dešava se i na glavi slušaoca kada se nađe na putu zvučnog talasa. Postoji strana bliža izvoru zvuka, na kojoj se superponiraju direktan i reflektovan talas, i strana u zvučnoj senci. Razlike u odnosu na krive sa slike javljaju se kao posledica razlika u obliku između idealne kugle i realne glave.

0.2 0.1 1 5-15

-10

-5

0

5

10

ΔLz

ΔLp

rela

tivna

pro

men

a ni

voa

(dB

)

d/λ Prostorne karakteristike čula sluha Rad čula sluha odvija se u trodimenzionalnom prostoru u kome se svakom pojedinačnom fizičkom nadražaju može dodeliti pravac nailaska zvučnog talasa na glavu

ΔLp ΔLz

talas L

d


23

slušaoca. Za definisanje prostornih dimenzija percepcije zvuka uvodi se koordinatni sistem glave kakav je prikazan na slici 2.2. Označeni su svi relevantni pojmovi za definisanje pozicije zvučih izvora u odnosu na slušaoca. Forma glave i njena pozicija u prostoru definišu horizontalnu, medijalnu i frontalnu ravan, kao i pravac napred - nazad. Svaki mogući pravac i smer nailaska zvučnog talasa na glavu slušaoca definiše se azimutom ϕ i elevacijom δ. Koordinatni sistem sa slike 2.2 vezan je za glavu i kreće se zajedno sa njom.

medijalna ravan

horizontalna ravan

frontalna ravan

f

d f=0o

d =0o

f=180o

d =0o

Slika 2.2 – Prostorni koordinatni sistem glave u kome se odvija

percepcija zvuka.

Zahvaljujući binauralnom slušanju čulo sluha ima izvesnu mogućnost određivanje prostornih atributa zvučnih pojava u prostoru sa slike 2.2. Ova osobina podrazumeva sposobnost da se odredi pravac iz koga zvučni talas nailazi na glavu slušaoca. Signali pL(t) i pD(t) potpuno su jednaki samo u slučaju nailaska ravanskog talasa u slobodnom polju iz pravca ose lica slušaoca (ϕ = 0). U svim drugim slučajevima među njima postoje razlike. Pravac iz koga nailazi zvučni talas centri u mozgu određuju na osnovu razlika između pL(t) i pD(t). Istim mehanizmom moguće je u složenom zvučnom polju, kao na primer u prostorijama, primećivati razlike između različitih prostornih struktura polja. Mehanizam određivanja pravca nailaska zvuka – dupleks teorija Glava kao fizička prepreka u zvučnom polju utiče na pojavu refleksije i difrakcije oko nje. Te pojave se javljaju na frekvencijama na kojima je glava dovoljno velika u odnosu na talasnu dužinu. Ušna školjka je takođe jedna fizička prepreka. Svojom složenom geometrijom ona na svoj način dodatno utiče na stanje u zvučnom polju u oblasti viših frekvencija, što je određeno njenim dimenzijama i dimenzijama delova njenog reljefa. Najzad, izvestan uticaj na strukturu zvučnog polja ima i torzo slušaoca zbog pojave refleksije od ramena. Svi ti uticaji zajedno čine da postoje razlike između signala koji deluju na levo i desno uvo, i te razlike zavise od pravca nailaska zvuka (ϕ i δ). Sposobnost slušaoca da odredi odakle nailazi zvučni talas upravo se zasniva na razlikama koje postoje između pritisaka pL(t) i pD(t). Kada zvuk nailazi iz pravca određenog nekim azimutom uvodi se definicija bližeg i daljeg uva. Razlike se javljaju u vremenskom domenu i u domenu nivoa zvuka. Zbog činjenice da se mehanizam


24

prostorne percepcije čula sluha zasniva na razlikama u dva različita domena, što znači dve različite fizičke pojave, u literaturi se objašnjenje mehanizma određivanja pravca nailaska zvuka naziva „dupleks teorija“. Vremenske razlike u signalima na bližem i daljem uvu nazivaju se interauralno kašnjenje. Kada je azimut pravca iz koga nailazi zvučni talas različit od nule zvuk stiže do bližeg uva nešto ranije nego do daljeg uva zbog njihovog rastojanja. Na frekvencijama gde je trajanje periode veće od interauralnog kašnjenja čulo sluha vremensku razliku koristi za utvrđivanje pravca iz koga dolazi zvuk. Za prosečne dimenzije glave zavisnost interauralnog kašnjenja u funkciji azimuta prikazana je dijagramom na slici 2.3. Vremenska razlika koja tako nastaje najveća je za azimut 90o, i za prosečnu glavu ona je oko 0,6 ms. Iako mala, ova vremenska razlika dovoljna je za formiranje svesti o pravcu iz koga je naišao zvučni talas. Sa porastom frekvencije, kada trajanje periode signala postaje poredljivo ili manje od interauralnog kašnjenja, nastaje konfuzija u procesiranju vremenske razlike. Ta granica je na frekvencijama u oblasti oko 1 kHz, pa na višim frekvencijama interauralna vremenska razlika nema značaja za određivanje pravca.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

inte

raur

alna

vre

men

ska

razl

ika

(ms)

azimut (stepeni)

Slika 2.3 - Zavisnost interauralnog kašnjenja od veličine azimuta za

prosečnu veličinu glave

Pokazano je da na dovoljno visokim frekvencijama glava predstavlja prepreku koja je poredljiva, ili čak mnogo veća od talasnih dužina. Zbog toga se javljaju razlike nivoa zvuka na bližem i daljem uvu. Pobuda na bližem i daljem uvu opisuju se veličinom koja se u literaturi naziva prenosna funkcija glave (head related transfer function - HRTF). Ona se uobičajeno definiše preko dva impulsna odziva, odnosno funkcije prenosa, registrovana na poziciji bližeg i daljeg uva. Po svojoj definiciji, HRTF pokazuje promene koje nastaju na levom i desnom uvu u odnosu na stanje koje postoji u zvučnom polju kada slušalac nije prisutan. Po potrebi, prikazuje se u vremenskom ili frekvencijskom domenu. Oblik prenosne funkcije glave zavisi od azimuta. Za svaku vrednost azimuta prenosna funkcija ima drugačiji oblik. Kao ilustracija, na slici 2.4 je prikazan izgled HRTF za azimut 90o. Sabiranje direktnog i reflektovanog zvuka na bližem uvu i zvučna senka na daljem uvu čine da je kriva funcije prenosa bližeg uva uvek iznad krive funkcije daljeg uva. Fluktuacije koje postoje u toku krivih posledica su raznih talasnih pojava koje nastaju koherentnim superponiranjem refleksija od pojedinih delova glave i energije koja oko glave prolazi različitim putevima. Postoje izvesne individualne razlike u oblicima HRTF kod raznih osoba. One su posledica razlika u veličini i obliku glava i razlika u


25

dimenzijama bitnih fizičkih detalja na glavi. Zbog toga svaka osoba ima svoj specifičan oblik HRTF na koje je njeno čulo sluha prilagođeno.

200 1000 10000-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

dalje uvo

bliže uvo

rela

tivni

niv

o (d

B)

frekvencija (Hz)

pravac nailaska zvuka

bliže uvo

dalje uvo

Slika 2.4 - Prenosna funkcija glave izmerena na jednoj osobi za azimut

90o

Posmatrajući dijagrame sa slike 2.4 može se zaključiti da glava u zvučnom polju deluje kao jedno filtarsko kolo. Detaljnije poznavanje HRTF podrazumeva banku impulsnih odziva bližeg i daljeg uva za vrednosti azimuta u dovoljno malim koracima (najčešće od po 10o ili manje). Oni se dobijaju merenjem u anehoičnoj prostoriji menjajući poziciju zvučnika po krugu oko slušaoca. Na veoma niskim frekvencijama, ispod 100 Hz, trajanje periode signala mnogo je veće od interauralnog kašnjenja, pa je fazna razlika koja nastaje zanemarljiva. Ni glava kao prepreka u zvučnom polju više nema uticaja, pa su signali na oba uva postaju jednaki po amplitudi. Zbog toga se na vrlo niskim frekvencijama pri kontinualnim zvučnim pojavama ne dobija dovoljno informacija za određivanje pravca nailaska zvuka, pa čovek nema sposobnost lokalizacije pravca nailaska zvuka. Prostorna rezolucija čula sluha Rezolucije s kojim čulo sluha može odrediti pravac nailaska zvučnog talasa značajno varira u funkciji spektralnog sadržaja zvuka (širokopojasni ili uskopojasni spektar), njegovih dinamičkih svojstava (kontinualni zvuk ili kratkotrajnu udari), pa čak i od toga da li je zvuk poznat slušaocu od ranije ili ne. Sposobnost rezolucije po pravcima uobičajeno se opisuje nepreciznošću određivanja ugaonog položaja izvora zvuka u prostoru (engleski: blur). Ta nepreciznost određuje se ispitivanjem na većoj grupi subjekata kojim se iz zvučnika, čiji tačan položaj ne mogu da vide jer je zaklonjen, reprodukuje zvuk. Od subjekata se zahteva da procene pravac iz koga nailazi taj zvuk. Rezultat se iskazuje statističkim pokazateljima njihovih odgovora: srednja vrednost i


26

granične vrednosti na skupu svih dobijenih odgovora. Kao ilustracija prostorne rezolucije na slikama 2.5 i 2.6 prikazani su rezultati merenja nepreciznosti lokalizacije kada se sluša govor poznatog govornika.

f=180o f=0o

81oE9o

0oE3,5o180oE5,5o

Slika 2.5 - Nepreciznost određivanja položaja zvučnog izvora u

horizontalnoj ravni kada je glava slušaoca fiksirana. Označeni su srednja vrednost (kružić) i opseg

rasturanja doživljaja pravca ispitanih subjekata (deblja linija).

0oE9of=0o

d =0o

30oE10o

27oE15o

f=180o

d =0o

Slika 2.6 - Nepreciznost određivanja položaja zvučnog izvora u medijalnoj

ravni kada je glava slušaoca fiksirana.

Mehanizam binauralnog slušanja kod čoveka sa ušima postavljenim s bočnih strana prilagođen je percepciji u horizontalnoj ravni. Za pozicije zvučnih izvora u horizontalnoj ravni (slika 2.5) pri azimutu 0o, 90o i 180o prikazani su opsezi pojedinačnih odgovora i njihova srednja vrednost. Vidi se da je najveća preciznost čula sluha pri azimutu 0o, gde je tačnost određivanja pravca ±3,5o. Za bočni položaj zvučnog izvora (azimut 90o) tačnost je najmanja, sa greškom od čak ±9o. Šta više, u ovom slučaju subjektivni osećaj položaja zvučnog izvora je pomeren unapred u odnosu na njegovu stvarnu poziciju. U medijalnoj ravni ljudske sposobnost percepcije pravca značajno su manje, što je posledica vertikalne simetrije glave. Na slici 2.6 prikazan je rezultat merenja nepreciznosti u ovoj ravni za elevaciju 0o i 36o. Vidi se da je preciznost određivanja pravca dolaska zvuka značajno lošija u odnosu na horizontalnu ravan. Za slučaj kada je zvučni izvor neposredno iznad slušaoca (elevacija 90o) preciznost određivanja pravca je još manja.


27

Svi prikazani rezultati odnose se na slučaj kada je glava slušaoca nepomična. Svaka osoba instinktivno okreće glavu u okolnostima kada ne može da odredi pravac iz koga dolazi zvuk. Pokretanjem glave lokalizacija zvučnog izvora u prostoru značajno se popravlja. Takvim pokretima u raznim pravcima može se dostići relativno velika preciznost lokalizacije zvučnog izvora, ali to zahteva izvesno vreme potrebno da se izvede serija odgovarajućih pokreta glave i poboljša lokalizacija. Prenosna funkcija slušnog kanala Prostiranje zvuka duž slušnog kanala jednodimenzonalna je pojava i ne zavisi od pravca nailaska pobude. Ipak, njegov uticaj je od posebnog značaja za ukupnu osetljivost čula sluha. Slušni kanal je cevčica koja je sa svoje prednje strane otvorena, a sa zadnje strane zatvorena impedansom bubne opne. Njen izgled u preseku prikazan je na slici 2.7.

A B

y25 mm

100 1000 100000

2

4

6

8

10

12

razl

ika

nivo

a (d

B)

frekvencija (Hz)

Slika 2.7 – Izgled slušnog kanala u preseku (levo) i amplitudska prenosna karakteristika između tačaka A i B (desno).

Pri zvučnoj pobudi iz spoljašnje sredine ovakva cevčica ispoljava rezonantne pojave na frekvencijama na kojima je dužina kanala jednaka celobrojnom umnošku četvrtine talasne dužine (takozvane „četvrttalasne“ rezonance). S obzirom na dimenzije, prva takva rezonanca pojavljuje se u oblasti 3 - 4 kHz. Rezonance se manifestuju maksimuma u prenosnoj karakteristici koji nastaju relativnim pojačanjem pritiska na bubnoj opni u oblasti rezonantnih frekvencija. Amplitudska prenosna karakteristika jednog slušnog kanala, definisana kao odnos pritisaka u tačkama A i B, takođe je prikazana na slici 2.7. Podrazumeva se da postoje individualne razlike od osobe do osobe koje su posledica varijacija u dimenzijama kanala. One ne utiču principijelno na oblik karakteristike, jer je prvi maksimum u istoj oblasti frekvencija. Na slici 1.7 se vidi da upravo u toj zoni frekvencija uvo ispoljava najveću osetljivost, pa rezonaca kanala doprinosi povećanju osetljivosti na srednjim frekvencijama.


28

Nelinearna izobličenja signala u uvu Kao i svi drugi drugi prenosni sistemi, i uvo pokazuje izvesnu nelinearnost u svojoj prenosnoj karakteristici na putu od pobudnog zvučnog pritiska koji deluje na bubnu opnu do receptora na bazilarnoj membrani. Uzroci toga su u činjenici da su bubna opna i slušne koščice mehanički prenosni sistem. Odziv takvog sistema po prirodi stvari ne može biti linearan u širokom rasponu intenziteta pobude, jer povećanje amplitude spoljašnje pobude ne prati linearno povećanje pomeraja mehaničkih delova srednjeg uva. Što je nivo pobude viši, izobličenje je veće. Pošto uvo nije četvoropol čiji se izlaz može lako posmatrati i meriti (izlaz je u fizičkom smislu nedostupan), traganje za dokazima o nelinearnosti mora biti posredno. Nizom eksperimenata pokazano je da postoji mehanizam koji u uvu generiše harmonike i intermodulacione produkte. Nivo nastalih novih spektralnih komponenti srazmeran je nivou zvučne pobude. Pod određenim okolnostima pri slušanju može se registrovati pojava izbijanja, to jest pojava komponenti u zvučnoj slici koje se javljaju na frekvencijama zbira ili razlike frekvencija objektivno prisutnih zvukova koji spolja deluju. Postoje i eksperimenti kada se može čuti zvučna komponenta nastala izbijanjem na osnovu dva tona koji deluju na uvo. Sve su to indirektni dokazi o postojanju izobličenja na putu od spoljašnje sredine do receptora u unutrašnjem uvu.

Izobličenja u uvu su jedan od razloga zbog kojih neumitno postoji izvesna razlika u zvučnoj slici kada su nivoi slušanja veoma visoki (na primer glasniji koncerti sa ozvučenjem, diskoteke, itd.) i kada su nivoi uobičajeni (preporučeni nivoi slušanja). Izvesne razlike koje se subjektivno mogu konstatovati u takvim okolnostima nisu posledica samo uvek prisutnih razlika u kvalitetu uređaja kojim se vrši reprodukcija, već i zbog izobličenja nastalih u samom uvu pri visokim nivoima slušanja. 2.2 Procesi na bazilarnoj membrani Za razumevanje procesa koji se dešavaju pri formiranju zvučne slike veoma je značajno sagledavanje prirode fizičkog procesa na bazilarnoj membrani. Bazilarna membrana je mehanički sistem koji ima svoje rezonance. One se javljaju poprečno u odnosu na dužinu membrane. Frekvencija rezonance kontinualno se menja duž 35 mm dužine membrane. Određena je zategnutošću u poprečnom pravcu i drugim mehaničkim svojstvima. Najviša frekvencije rezonance je oko 20 kHz i javlja se na samom početku membrane, neposredno pored ovalnog prozora. Najniža frekvencija rezonance je oko 20 Hz i javlja se na kraju bazilarne membrane, u zoni najudaljenijoj od ovalnog prozora. Putujući talas na bazilarnoj membrani Svaka zvučna pobuda koja dospeva do kohlee preko koščica srednjeg uva stvara na bazilarnoj membrani putujući talas u vidu vibracija koji se kreću od ovalnog prozora prema njenom kraju. Pojednostavljen prikaz tog prostiranja pri pobudi zvukom jedne frekvencije prikazan je šematski na slici 2.8. Pri pobudi čistim sinusnim tonom putovanje talasa se odvija od ovalnog prozora do mesta gde se pobudna frekvencija poklapa sa frekvencijom sopstvene mehaničke rezonance membrane. Energija koja putuje duž membrane na tom mestu pobuđuje njenu sopstvenu rezonancu, što u toj zoni stvara maksimalne amplitude vibracija. Prostiranje talasa duž membrane se tu i zaustavlja, jer


29

svu energiju apsorbuje rezonantni proces. Pri pobudi samo jednom frekvencijom membrana u produžetku iza tog mesta miruje.

ovalniprozor

okrugliprozor

Slika 2.8 – Uprošćeni šematski prikaz razmotane kohlee i odziva bazilarne membrane na dejstvo pobude zvukom jedne čiste frekvencije.

Slika 2.8 pokazuje da pri zvučnoj pobudi čistim tonom veliki deo bazilarne membrane učestvuje u oscilovanju, a frekvencija zvučne pobude određuje mesto gde će se javiti maksimum vibracionog odziva. Kretanje bazilarne membrane čitavom dužinom registruju receptorske ćelije. Centri u mozgu dobijaju sliku stanja vibracija cele bazilarne membrane, a zvučna slika se formira na osnovu takvog kompleta informacija koje kontinualno dospevaju iz unutrašnjeg uva. Na mestu rezonance reakcija senzora je najintenzivnija, ali informacije šalju sve pobuđene ćelije, srazmerno lokalnom intenzitetu pobude. Cetri u mozgu u svakom trenutku imaju sliku oscilatorne pobuđenosti bazilarne membrane, i na osnovu takve kompleksne informacije formiraju svest o frekvenciji i drugim atributima primljenog zvuka. Frekvencijska raspodela odziva duž bazilarne membrane – teorija položaja Raspodela rezonantnih frekvencija duž bazilarne membrane nije linearna. Na slici 2.9 prikazana je jedna ilustracija relativne vibracione pobude na membrani pri zvučnoj pobudi tonovima četiri različite frekvencije: 25 Hz, 50 Hz, 200 Hz i 1600 Hz. Vidi se da je maksimum odziva na frekvenciji 1600 Hz približno u zoni polovine bazilarne membrane. Sa slike se takođe vidi da pomak od samo 25 Hz na najnižim frekvencijama (od 25 Hz do 50 Hz) znači pomeranje maksimuma pobude za približno 10% ukupne dužine bazilarne membrane. Raspored senzorskih ćelija koje registruju kretanje duž bazilarne membrane je približno linearan, pa je njihova gustina približno jednaka po jedinici dužine membrane. U toj činjenici krije se objašnjenje logaritamske zavisnosti čula sluha po frekvencijama. Sa slike 2.9 vidi se da to ima fiziološko opravdanje, jer je pri pobudi frekvencijom oko 1000 Hz maksimum vibracione pobude približno na sredini bazilarne membrane. Iz prikaza reakcije bazilarne membrane na zvučnu pobudu (slika 2.8) sledi da i pri pobudi čistim sinusnim tonom postoji reakcija svih senzorskih ćelija od početka membrane do zone u kojoj se javlja rezonanca, s tim što je na mestu rezonance reakcija senzora najintenzivnija. Ovakav fizički odziv uveo je u objašnjenje percepcije visine zvuka takozvanu ″teoriju položaja″. Pod položajem se podrazumeva mesto maksimuma


30

na bazilarnoj membrani. Za svaku pobudnu frekvenciju postoji jedan lokalizovani maksimum vibracija, pa je doživljaj visine tona određen položajem tog maksimuma.

0 10 20 30

25 Hz

mm 0 10 20 30

50 Hz

mm

0 10 20 30

200 Hz

mm 0 10 20 30

1600 Hz

mm

Slika 2.9 – Šematska ilustracija relativne promene amplitude vibracija duž bazilarne membrane

za četiri različite pobudne frekvencije. Na slici 2.10 šematski je prikazan dijagram oblika obvojnice amplitude vibracija bazilarne membrane nacrtan na dva načina: kao funkcija dužine membrane i kao funkcija frekvencije (frekvencijska osa je baždarena u logaritamskoj razmeri). Početak membrane, odmah uz ovalni prozor, ima rezonance na najvišim čujnim frekvencijama, a rezonance na najnižim frekvencijama su na njenom kraju. Zbog toga su krive odziva na dva prikazana dijagrama simetrične.

0

+max

rezonanca

rela

tivna

am

plitu

da o

scila

cija

dužina bazilarne membrane 200

+max

20 k

rela

tivna

am

plitu

da o

scila

cija

frekvencija (Hz)

Slika 2.10 - Šematski prikaz obvojnice amplituda vibracija bazilarne membrane kada je pobuđena zvukom jedne frekvencije kao funkcija dužine membrane (levo) i kao funkcija frekvencije (desno). Rezolucija po frekvencijama za čiste tonove Svaka zvučna pobuda koja se subjektivno razlikuje od ostalih može se definisati kao nezavistan zvučni događaj, u smislu kako je to opisano u fizičkoj definiciji zvučnih informacija. Zakoni po kojima funkcionišu ljudska čula podrazumevaju da je pri nekom nivou pobude neophodno izvršiti njenu promenu za određeni procenat da bi to bilo primetno. Veličina potrebne promene definiše rezoluciju čula sluha. U tom smislu,


31

rezolucija čula sluha po frekvencijama definiše se veličinom minimalne promene frekvencije sinusnog tona koja se može primetiti. Ta karakteristika čula sluha direktno proizilazi iz procesa na bazilarnoj membrani, i može se shvatiti kao minimalno potrebno pomeranje maksimuma vibracione pobude duž membrane da bi se primetilo kao promena u zvučnoj slici.

100 1000 100000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Δf/f

(%)

frekvencija (Hz)

Slika 2.11 - Rezolucija čula sluha po frekvencijama pri nivou zvuka 40 dB

(najmanja primetna promena frekvencije).

Na slici 2.11 prikazan je rezultat merenja minimalno primetne promene frekvencije čistog sinusnog tona pri nivou zvuka 40 dB. Vidi se da najveću rezoluciju čulo sluha ima u srednjem opsegu frekvencija oko 1 kHz, i ona je pri tom nivou zvuka malo manja od 0,2% (u apsolutnom smislu to predstavlja promenu od oko 2 Hz). U oblastima prema visokim i prema niskim frekvencijama rezolucija se pogoršava, odnosno kriva sa slike raste. Ova rezolucija zavisi od nivoa zvuka. Što je intenzitet oscilovanja bazilarne membrane veći, to je maksimum na njoj izraženiji, pa se i njegovo eventualno pomeranji duž membrane lakše registruje. Prikazani dijagram rezolucije po frekvencijama podrazumeva da na uvo u jednom trenutku deluje samo jedan sinusni ton. U slučaju delovanja kompleksnih zvukova u kojima postoje i proste sinusne komponente rezolucija po frekvencijama je drugačija. Rezolucija po nivoima za čiste tonove

Budući da su zvučne informacije dvodimenzionalna veličina definisana u prostoru frekvencija - nivo zvuka, moguće je osim minimalne potrebne promene frekvencije definisati i minimalnu promenu nivoa koju će uvo primetiti kao promenu u nadražaju. Posmatrajući procese u unutrašnjem uvu, ova rezolucija je određena minimalnim povećanjem amplitude oscilovanja bazilarne membrane koje se subjektivno može primetiti. Minimalna primetna promena zavisi od apsolutne vrednosti nivoa zvuka, a u izvesnoj meri zavisi i od frekvencije. Na slici 2.12 prikazan je dijagram rezolucije po nivoima za čiste sinusne tonove, dobijen usrednjavanjem rezultata za više frekvencija čujnog područja. Pri visokim nivoima zvuka, reda 80 dB, čulo sluha može primetiti promene nivoa sinusnog tona od svega 0,5 dB. Smanjenjem nivoa slušanja rezolucija se smanjuje, pa je u okolini granice


32

čujnosti potrebno promeniti nivo zvuka skoro za 2 dB da bi to bilo primetno. Pri pobudi kompleksnim zvukovima širokog spektra sposobnost rezolucije po nivoima smanjuje se u odnosu na prikazani dijagram. U literaturi se često navodi da je za zvukove širokog spektra, kao što je šum, potrebna promena nivoa od skoro 3 dB da bi bila primetna.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

ΔL

(dB)

nivo zvuka pri slušanju (dB)

Slika 2.12 - Rezolucija čula sluha po nivoima (minimalno čujno povećanje

nivoa zvuka) za sinusne tonove.

Sposobnost čula sluha da registruje razlike između zvukova, odnosno da prima zvučne informacije, počiva na mogućnosti da se razlikuju intenziteti vibracione pobude duž bazilarne membrane. S obzirom na njenu konstrukciju, jasno je da sinusna pobuda membrane na frekvencijama preko 20 kHz ne može biti registrovana. U popularnoj literaturi se sposobnost čula sluha da primeti razliku kada kompleksni zvuk sadrži ili ne sadrži komponente iznad 20 kHz često tumačila kao otkriće da uvo može čuti frekvencije preko ove granice. Takva konstatacija nije tačna jer nema fizičkog, odnosno anatomskog pokrića. Međutim, to ne znači da se ne mogu praviti razlike u zvukovima kada u njima ima ili nema spektralnih komponenti iznad 20 kHz. Drugim rečima, treba razlikovati problem percepcije sinusnih tonova čije su frekvencije više od 20 kHz, i kompleksnih zvukova koji sadrže, između ostalog, i komponente iznad gornje granice čujnosti. Postoje dva opšteprihvaćena objašnjenja kako se mogu registrovati te razlike, iako se radi o frekvencijama na koje uvo u fizičkom smislu nije osetljvo. Prvo, postoji nelinearnost u prenosnoj karakteristici od spoljašnjeg uva do bazilarne membrane. Pri zvučnoj pobudi u uvu nastaju izvesna izobličenja koja generišu nelinearne produkte na frekvencijama zbirova i razlika prenošenih spektralnih komponenti. Pojava spektralnih komponenti viših od 20 kHz u zvuku koji se sluša znači da će i one na putu do bazilarne membrane učestvovati u procesu izobličenja, to jest generisanja novih zvučnih komponenti. Intermodulacioni produkti koji tada nastaju u čujnom opsegu čine razliku koja se može primetiti. Slična izobličenja se takođe dešavaju i na zvučniku koji reprodukuje ono što se sluša, što doprinosi pojačanju razlika. Drugo, širenje spektra signala utiče na talasne oblike tranzijentnih pojava, što može, eventualno, stvarati razlike u oblicima putujućih talasa na bazilarnoj membrani. To može učiniti da se subjektivno primećuje razlika između dva zvuka koji se međusobno razlikuju samo u delu spektra koji se nalazi iznad 20 kHz, a pri tome ima izražene tranzijente.


33

Subjektivni doživljaj jačine čistih tonova – nivo glasnosti Kada na uvo deluje čist sinusni ton subjektivni doživljaj jačine zvuka nije linearno korelisan sa nivoom zvuka, odnosno sa intenzitetom zvučne pobude, već se ispoljava nelinearnost osetljivosti uva kao senzora. Subjektivni doživljaj jačine sinusnog zvuka izražava se posebno uvedenom veličinom koja se naziva nivo subjektivne jačina zvuka ili nivo glasnosti (loudnes level). Češće se koristi skraćeni naziv jačina zvuka. Za njeno izražavanje u literaturi se koriste oznake Λ ili LN, i uvedena je jedinica koja se naziva fon. Nivo subjektivne jačine zvuka pri pobudi sinusnim tonovima utvrđena je eksperimentalno, testiranjem na otološki zdravoj populaciji. Na početku je, po definiciji, usvojeno da se skala nivoa subjektivne jačine zvuka u fonima na frekvenciji 1000 Hz poklapa sa skalom objektivno merenog nivoa zvuka u decibelima koji deluje na uvo. Tako je skala nivoa subjektivne jačine zvuka na referentnoj frekvenciji utvrđena konvencijom. Zbog činjenice da je izjednačena sa skalom nivoa zvuka, makar to bilo samo na jednoj frekvenciji (1000 Hz), skala u fonima ima odlike logaritamske veličine. Za tonove čije su frekvencije niže ili više od 1000 Hz nivo subjektivne jačine zvuka utvrđen je merenjem, metodom naizmeničnog slušnog poređenja dva zvuka različitih frekvencija: jednog koji je predmet ocene subjektivne jačine i drugog, referentnog, na 1000 Hz. Slušaocima je omogućeno da samostalno podešavaju nivo signala koji je predmet ocene i vrše poređenje doživljaja njegove jačine sa referentnim zvukom. Cilj testa je bio da slušalac podesi nivo tako da ova dva tona na različitim frekvencijama budu subjektivno iste jačine, što znači da odgovaraju istom broju fona. Sukscesivnim ponavljanjem ove procedure za razne frekvencije i unošenjem vrednosti podešenog nivoa zvuka u dijagram oblasti čujnosti sa slike 1.7 dobija se linija iste subjektivne jačine, takozvana izofonska linija. Sve vrednosti koje se nalaze na jednoj izofonskoj liniji imaju subjektivno istu jačinu zvuka, koja je jednaka onoj na 1000 Hz. Na osnovu opisane procedure merenja, sprovedene na dovoljno velikom broju otološki normalnih osoba, i usrednjavanjem rezultata dobijene su standardne izofonske krive prikazane na slici 2.13. Na slici su ucrtane krive u koracima od po 10 fona. Vidi se da ranije pokazana kriva granice čujnosti predstavlja izofonsku krivu koja odgovara subjektivnoj jačini zvuka 0 fona. Sa dijagrama izofonskih linija detaljnije se može sagledati nelinearnost čula sluha. Vidi se da jačinu 70 fona na frekvenciji 4 kHz, gde je uvo najosetljivije, ima zvuk nivoa oko 60 dB, a na frekvenciji 20 Hz za istu subjektivnu jačinu potreban je nivo zvuka od preko 100 dB. Promene zakrivljenosti izofonskih linija pokazuju da se nelinearnost čula sluha u izvesnoj meri smanjuje sa povećanjem nivoa zvuka. To ne znači da njegov rad pri bilo kom nivou postaje linearan po frekvencijama, već pri višim nivoima zvuka samo dolazi do izvesnog smanjenja nelinearnosti. Vremenska integracija zvučne pobude Intenzitet pobude čula sluha srazmeran je energiji koju uvo prima iz zvučnog polja. Pri mehaničkoj pobudi bazilarne membrane postoji izvesno vreme uspostavljanja oscilacija. To se manifestuje kao da uvo ima sposobnost integracije, pa zvukovi istog nivoa ali različitog vremenskog trajanja mogu stvarati različite subjektivne doživljaje jačine. Ako se pretpostavi da se čulo sluha pobuđuje sinusnim tonom ograničenog trajanja, rezultat će biti neki subjektivni doživljaj jačine takvog zvuka. Kada pobuda traje dovoljno dugo, što u praksi znači duže od oko 0,5 s, razlika u subjektivnom doživljaju jačine zvuka praktično ne postoji, bez obzira na njegovo trajanje. Međutim, ako se


34

trajanje pobude skrati na intervale ispod 0,5 s javiće se razlika u subjektivnom doživljaju u zavisnosti od trajanja dejstva zvučne energije na čulo sluha.

20 100 1000 10000-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

10

20

nivo

zvu

ka (d

B)

frekvencija (Hz)

Slika 2.13 - Dijagram izofonskih linija (brojevi na linijama značavaju fone)

10 100 10000

2

4

6

8

10

12

14

4 kHz

1 kHz

125 Hz

povi

šenj

e pr

aga

cujn

osti

(dB

)

trajanje tona (ms)

Slika 2.14 - Dijagram zavisnosti promene praga čujnosti u funkciji

trajanja tona


35

Uticaj trajanja zvučnog stimulusa na subjektivni doživljaj jačine zvuka uobičajeno se prikazuje dijagramom kao na slici 2.14. Krive su dobijene ispitivanjem pri nivoima zvuka bliskim granici čujnosti. Vidi se da skraćivanje trajanja pobude ispod granice reda veličine 0,5 s kao rezultat prouzrokuje pomeranje granice čujnosti prema višim nivoima. To znači da se kraći zvukovi subjektivno doživljavaju kao tiši. Očitavajući sa dijagrama zaključuje se da pobude čije je trajanje oko 10 ms moraju biti za oko 10 dB višeg nivoa da bi se subjektivno doživljavale istom jačinom kao pobuda dužeg trajanja. Sa slike se takođe vidi da kvantitativni uticaj trajanja na subjektivni doživljaj u izvesnoj meri zavisi i od frekvencije. Može se slikovito reći da u mehanizmu rada čula sluha postoji vremenski ″prozor″ u okviru koga se vrši integrisanje energije pobude. Subjektivni doživljaj jačine zvuka je srazmeran energiji koja upada u taj vremenski prozor. U literaturi se obično navodi da je vrednost konstante integraljenja u uvu oko 200-300 ms, ali je sa slike 2.14 jasno da precizan podatak zavisi od načina tumačenja prikazanih krivih. 2.3 Rad uva pri kompleksnoj zvučnoj pobudi Kada na uvo deluju zvukovi kompleksnog spektralnog sadržaja i složene vremenske strukture, kao što su to muzika ili šumovi iz okruženja, vibracioni odziv bazilarne membrane postaje mnogo složeniji nego što je to prikazano na slikama 2.8, 2.9 i 2.10. Tada dolazi do različitih međusobnih uticaja između pobuda koje deluju na bliske delove bazilarne membrane, što čini da je proces percepcije kompleksnih zvukova složeniji od slučaja čistih tonova. Najznačajnija pojava pri pobudi kompleksnim zvukovima je maskiranje. Maskiranje je pojava koja se manifestuje nesposobnošću čula da registruje neki zvučni nadražaj samo zbog toga što istovremeno u uvo stiže neki drugi, konkurentski zvuk koji ga na izvestan način ″maskira″ (međusobnu ″konkurenciju″ zvukova treba posmatrati sa aspekta njihovog dejstva na bazilarnu membranu). Maskiranje može nastupiti zbog bliskosti maskirajućeg i maskiranog zvuka na skali frekvencija (frekvencijsko maskiranje) i zbog međusobne blizine na vremenskoj osi (vremensko maskiranje). Frekvencijsko maskiranje Frekvencijsko maskiranje podrazumeva pojavu da u prisustvu jednog zvuka bilo koje frekvencije postoji šira oblast oko nje na frekvencijskoj osi u kojoj drugi zvukovi ne mogu istovremeno pobuditi senzore u uvu ako svojim intenzitetom ne prebace neki prag. Ovaj efekat je principijelno definisan obvojnicom sa slike 2.9 i 2.10, gde se vidi da pobuda bazilarne membrane zvukom jedne frekvencije podrazumeva vibracije na membrani u širokoj zoni oko njene rezonance. Neki novi zvuk na susednim frekvencijama može biti percepiran samo ako pobudi membranu vibracijama koje su veće od već postojećih. Frekvencijsko maskiranje kvantifikuje se krivom čiji je principijelni oblik prikazan na slici 2.15. U prisustvu pobude sinusnim tonom nekog intenziteta uvo ne može registrovati zvukove koji se nalaze ispod ucrtane granice maskiranja. To znači da su zbog delovanja prisutnog sinusnog tona svi zvukovi koji se na slici nalaze unutar štrafirane oblasti privremeno nečujni jer bazilarna membrana u toj zoni frekvencija već osciluje nekim intenzitetom. Kriva maskiranja svojim oblikom nije simetrična u odnosu na položaj frekvencije maskirajućeg tona. Ona je šira prema visokim frekvencijama i može se reći da, teorijski gledano, opada sve do najviših čujnih frekvencija. Oblik krive


36

maskiranja menja se u izvesnoj meri u zavisnosti od frekvencije maskirajućeg tona i njegovog intenziteta, ali uvek zadržava asimetrični izgled kakav je prikazan na slici 2.15.

granica maskiranja ostalih zvukova

sinusni ton

inte

nzite

t

frekvencija

Slika 2.15 - Principijelni izgled oblika krive frekvencijskog maskiranja

100 1000 10000-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

nivo

(dB)

frekvencija (Hz)

Slika 2.16 - Realna kriva maskiranja u prisustvu

maskirajućeg zvuka nivoa 110 dB frekvencije 1200 Hz

Realan izgled jeden krive maskiranja pri pobudi sinusnim tonom frekvencije 1200 Hz i nivoa 110 dB prikazan je na slici 2.16. Vidi se da se pojava frekvencijskog maskiranja može shvatiti kao specifična deformacija granice čujnosti, jer ono podrazumeva pomeranje granice čujnosti naviše u zoni oko pobudne frekvencije. Za različite nivoe pobude jednim tonom može se nacrtati čitava familija krivih maskiranja. Isto tako, mogu se prikazati krive maskiranja i za različite frekvencije pobude, pa se pojava frekvencijskog maskiranja u celini opisuje skupom krivih poput one sa slike 2.16.


37

Vremensko maskiranje Vremensko maskiranje podrazumeva da pri pobudi čula sluha nekim zvučnim stimulusom postoji izvesna zona na vremenskoj osi pre i posle njegovog delovanja u kojoj drugi zvukovi, ako nemaju dovoljan intenzitet, ne mogu biti registrovani. Na slici 2.17 šematski je prikazan princip vremenskog maskiranja. Može se reći da aktiviranje mehanizma čula sluha pri nailasku zvučne pobude stvara uslove da ono postaje neosetljivo na druge, slabije stumuluse koji su na vremenskoj osi naišli neposredno pre ili neposredno posle te pobude. Posebno interesantno je da se efekat maskiranja javlja i pre i posle maskirajućeg zvuka, što se naziva maskiranje unapred i maskiranje unazad.

granica maskiranja unazad

granica maskiranja unapred

sinusni ton

inte

nzite

t

vreme

Slika 2.17 - Principijelni izgled oblika krive vremenskog maskiranja

Pojava maskiranja nakon prestanka pobude, označena kao maskiranje unapred, može se objasniti vremenom smirivanja oscilacija bazilarne membrane (reverberacije uva). Da bi neka nova pobuda bila registrovana mora biti jača od trenutnog stanja vibracija bazilarne membrane u procesu smirivanja. Trajanje smirivanja oscilacija zavisi od intenziteta prethodne pobude i može biti reda veličine desetina milisekundi. Pojava maskiranja unazad znači da dolazi do ometanja percepcije zvuka koji je u uvo stigao ranije, ako on nije bio dovoljnog intenziteta da se na putu do centara u mozgu ″izbori″ sa nadražajem koji je stigao nešto kasnije, ali je znatno jači. Ovakva pojava je posledica postojanja mehanizama delovanja "unapred" u domenu neuronskih puteva, kao što je prikazani na blok šemi sa slike 2.1. Na tom putu do mozga dolazi do ″preticanja″ informacija. Interval u kome se javlja ova vrsta maskiranja reda je veličine par milisekundi. Kritični opsezi Analiza vibracija bazilarne membrane koju vrše receptorske ćelije ima konačnu rezoluciju zbog konačnog broja takvih ćelija i zbog činjenice da se signali iz grupa susednih ćelija stapaju u jedinstven signal koji ide ka mozgu jednim nervnim vlaknom. Zbog toga čulo sluha ima izvesna ograničenja u rezoluciji kompleksnih zvukova po


38

frekvencijama. Na osnovu toga se definiše osobina čula koja se kao pojava može, po analogiji, uporediti sa selektivnošću u elektrotehnici. Ova specifična selektivnost čula uvodi pojam kritičnog opsega. Pod tim se podrazumeva širina frekvencijskog opsega u kome se dve frekvencijski bliske pobude na bazilarnoj membrani ne mogu u zvučnoj slici potpuno razdvojiti kao dva nezavisna događaja. Ako dva tona istovremeno deluju na uvo i imaju istu frekvenciju, oni se stapaju u jedinstven proces na bazilarnoj membrani i jedinstven doživljaj jednog jedinog tona. Ako se frekvencija jednog od ta dva tona menja, potrebno je napraviti frekvencijski pomak koji je veći od neke granice da bi se jasno percepiralo prisustvo dva nezavisna tona. Dok god je razlika između njihovih frekvencija manja od te granice, subjektivni utisak ne ukazuje na postojanje dva tona, već jednog tona koga slušaoc označava kao "rapav". Širina kritičnog opsega funkcija je frekvencije i prikazana je na slici 2.18. Vidi se da širina raste sa porastom frekvencija. Na višim frekvencijama približava se opsegu 1/6 oktave, a na nižim frekvencijama njegova širina se povećava i približava oktavnom opsegu. Veličina kritičnog opsega proizilazi iz mehanike bazilarne membrane, strukture receptorskih ćelija i nervnih puteva.

100 1000 1000010

100

1000

1 okta

va

1/3 ok

tave

1/6 ok

tave

širin

a kr

iticn

og o

pseg

a (H

z)

frekvencija (Hz)

Slika 2.18 - Dijagram širine širine kritičnog opsega u funkciji

frekvencije

Subjektivni doživljaj jačine složenih zvukova - glasnost Subjektivni doživljaj jačine zvuka pri složenoj zvučnoj pobudi predstavlja rezultat superponiranih uticaja svih do sada opisanih anatomskih i fizioloških osobina (maskiranje, vremenska integracija, širina kritičnih opsega itd.), ali i nekih psiholoških faktora koje deluju u kompleksnom procesu stvaranja zvučne slike. U odnosu na doživljaj jačine prostih sinusnih tonova, subjektivni doživljaj jačine kompleksnih zvukova je složenija pojava. On se u opštem slučaju ne može izvesti linearnom transformacijom iz skupa podatke o nivoima zvuka pojedinačni zvučnih komponenti koje deluju na uvo. Čak i pri dejstvu zvukova koji se sastoje od manjeg broja spektralnih komponenti subjektivni


39

doživljaj jačine nije linearna kombinacija nivoa glasnosti pojedinačno prepoznatih komponenti.

Širina kritičnih opsega može se uporediti i sa muzičkim intervalima. Doživljaj u zvučnoj slici pri istovremenom sviranju dva muzička tona koja su međusobno razmaknuta za neki interval proizilazi, između ostalog, i iz odnosa između njihovog razmaka i širine kritičnog opsega u oblasti frekvencija gde se ti tonovi nalaze. Na slici je prikazan odnos širine kritičnog opsega prema širini polutona, celog tona i velike terce (četiri polutona). Sa slike se vidi da disonatnat utisak kada se sluša odsvirani interval polutona i celog tona u odnosu na tercu proizilaze

iz činjenice da ovi intervali upadaju u isti kritičan opseg, zbog čega se njihov doživljaj stapa u jedan utisak, a ne kao doživljaj dva jasno različita tona.

Za kvantifikovanje subjektivnog doživljaja jačine složenih zvukova konvencijom je utvrđena veličina koja se naziva glasnost (loudnes). Jedinica glasnosti je son, a uobičajena oznaka za glasnost je s. Glasnost je potpuno subjektivna veličina, i podatak o glasnosti nekog zvuka može se dobiti samo subjektivnim poređenjem sa nekim referentnim zvukom. Tako je po konvenciji skala glasnosti definisana vezivanjem za jednu referentnu tačku koja je objektivno merljiva. Usvojeno je da glasnosti od 1 sona odgovara jačina zvuka 40 fona. Na frekvenciji 1 kHz ovaj subjektivni nivo je egzaktno definisan i odgovara pobudi nivoa 40 dB. Postojala je potreba da skala na kojoj se izražava glasnost ima linearnu prirodu, što znači da udvostručavanje glasnosti, odnosno udvostručavanje subjektivnog doživljaja jačine zvuka, podrazumeva dvostruku vrednost u sonima (zbog logaritamske prirode skale fona dvostruko veća subjektivna jačina čistih tonova zvuka ne znači dvostruku vrednost u fonima). Testovima je utvrđeno da subjektivni osećaj dvostruko jačeg zvuka zahteva povećanje jačine zvuka za oko 10 fona. Skala sona definisana je tako da po definiciji glasnosti 1 son odgovara jačini zvuka 40 fona i promeni 10 fona odgovara udvostručavanju broja sona. To omogućava da se ustanovi analitička veza između glasnosti i jačine zvuka pri slušanju čistih tonova. Izraz koji definiše ovakvu njihovu vezu je:

1040)(

2)(−Λ

=fona

sonaS Zavisnost određena gornjim izrazom predstavlja samo jedan matematički model i ne odslikava potpuno ponašanje uva, pogotovo za veoma niske nivoa zvučne pobude. Ipak, izraz je upotrebljiv za mnoge praktične aplikacije. Određivanje glasnosti nekog složenog zvuka može se vršiti samo poređenjem sa drugim zvukom poznate glasnosti, jer ne postoji potpuni matematički model za

100 1000 100001

10

100

1000

interval velike terce

interval celog tona

interval polutona

širin

a kr

iticn

og o

pseg

a (H

z)

frekvencija (Hz)


40

određivanje subjektivne jačine složenih zvukova. U praksi se koristi nekoliko algoritama čija je tačnost dovoljno prihvatljiva. Svi oni polaze od spektra zvuka da bi se odredio uticaj maskiranja. Najčešće je korišćena takozvana Cvikerova metoda. Ona polazi od 1/3 oktavnog spektra i omogućava određivanje glasnosti i kada je spektar zvuka neregularan, čak i sa pojedinačnim diskretnim komponentama. Danas na tržištu postoje softverski paketi koji služe za ocenu subjektivne jačine zvuka na osnovu signala registrovanog mikrofonom.

Neke od opisanih karakteristika čula sluha imale su direktne posledice na tehnologiju audio sistema. Verovatno najznačajnije primene su u kompresiji audio signala i u oblasti podešavanja nivoa zvuka pri slušanju. Nelinearnost osetljivosti čula sluha zahtevala je uvođenje normi za nivoe slušanja pri reprodukciji zvuka.stvara Najveća linearnost, ako se o linearnosti uopšte može govoriti, je u oblasti 80-100 dB, pa je uobičajeno da nivo reprodukcje bude nešto preko 80 dB. Smanjenje nivoa zvuka pri reprodukciji ispod referentnih vrednosti, što je uobičajen zahtev pri reprodukciji zvuka u stanovima, dovodi do subjektivno bržeg stišavanja komponenti na niskim frekvencijama, što najniže tonove može dovesti ispod granice čujnosti. Zbog toga je za slušanje tiho reprodukovane muzike na mnogim kućnim uređajima za reprodukciju zvuka uvedena posebna frekvencijska korekcija, označena nazivom ″laudnes″ (loudnes). Njenim uključivanjem signal se propušta kroz filtar koji vrši izdizanje niskih vrekvencija, u skladu sa oblikom nižih izofonskih linija.

Documents

Tema 02Culosluhakaoprijemnik.pdf