Ljudets fysik och psykoakustik

1. Ljudets fysik och psykoakustik Vad är ljud? Hur uppfattar örat ljud? Hur tolkar hjärnan ljud?

2. Ljudvågor • Ljud uppstår när något vibrerar – lufttryck Högtalarmembran Förtätning Förtunning

3. Ljudvågor • Ljudvågens egenskaper: • Amplitud • Frekvens • Våglängd • Fas

4. Frekvens • Antalet svängningar per sekund • Anges i Hertz (Hz) • En period – tiden för en svängning 5 Hz En period (0,2 s) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Tid (s)

5. Frekvens • Vi kan höra 20-20000 Hz • Försämras med åldern • Unga barn kan höra upp till 23 kHz • Över 60 år hör man sällan över 8 kHz • Under 20 Hz – infraljud • Vi känner ofta vibrationerna • Över 20 kHz – ultraljud

6. Ljudvågor

7. Våglängd • Ljudet breder ut sig med ljudets hastighet • Beroende av medium • Material, temperatur mm • Ca 340 m/s i luft, rumstemperatur Ex. f =100 Hz, l = 3,4 m Våglängd (m)

8. Fas • Fas har betydelse då två signaler adderas • Lägg ihop värdena i varje tidpunkt Fas – signalen är förskjuten i tid Två likadana signaler med motsatt fas släcker ut varandra + + = =

9. Frekvensinnehåll • En enda ton (sinusvåg) • Fördubbling av frekvensen – en oktav Amplitud = Frekvens Tidsplan Frekvensplan 220 Hz 440 Hz 880 Hz

10. Frekvensinnehåll • Ljud innehåller oftast flera frekvenser • Alla ljud kan skapas genom att addera sinustoner Amplitud + 440 880 Frekvens = 440 + 880 Hz 440 Hz

11. Tonhöjd och klang • Harmoniska övertoner – multiplar av grundtonen • Komplext ljud, t ex ett instrument • Grundton + harmoniska övertoner • Olika instrument har olika frekvensinnehåll • – Klangfärg • Vi uppfattar grundfrekvensen som tonhöjden

12. Klangfärg • Gitarr Klarinett Människa Tid Frekvens

13. Tonhöjd • Upplevda tonhöjden är dock inte automatiskt ”lägsta frekvensen” • Sågtandsvåg – grundton + alla övertoner • I bägge fallen nedan upplevs grundfrekvensen Tid Frekvens Frekvens Sågtand 220 Hz Sågtand 220 Hz utan grundton

14. Klangförändring - EQ • Vi kan förändra ljudets klangfärg utan att musiken förändras – equalization • Dämpa vissa frekvenser • Lågpassfilter – släpper bara igenom låga, dämpar höga • Högpassfilter – vice versa • Bandpassfilter – släpper igenom frekvenser inom ett visst frekvensområde Original Lågpass Högpass Bandpass <3400 Hz >200 Hz 200-3400 Hz (som en telefon)

15. Envelope (kontur) • Inte bara klangfärg skiljer instrument • Envelope – det dynamiska förloppet • Anslag – stustain – avklingning • Även klangfärgen påverkas – vissa frekvenser dör ut snabbare än andra Piano Gitarr Fiol

16. Amplitud • Volym – SPL (Sound Pressure Level) • Ljudtrycksnivå • Förändrat tryck på trumhinnan • Mäts som lufttryck, i bar • Normalt lufttryck ca 1 bar • Örat uppfattar skillnader på delar av en bar (mikro= miljondel) • Små, små förändringar

17. Amplitud • Hörselgränsen är förändringar på 0,0002 bar (2  10-10) • Högsta gräns – smärtgräns – 0,2 mbar (milli=tusendel) (210-4) • Skillnad 1:1 000 000 • Hörseln är logaritmiskt

18. Logaritmisk skala • Linjär Logaritmisk • log(x), det man ska ”höja upp tio till” • log(100)=2 (102), log(1000)=3 (103) osv

19. Decibel • Decibel förkortas dB • Tryckreferens är hörseltröskeln=0,0002 bar • Dubbelt tryck – ökar 6 dB • 20 dB – 10 gånger högre tryck • Smärtgränsen är 120 dB • Det är så örat uppfattar ljudnivån!

20. Decibel – olika ljud

21. Olika frekvenskänslighet • Phon – den nivå ett ljud med viss frekvens måste ha för att upplevas som nivån för 1000 Hz

22. Olika frekvenskänslighet • Allra känsligast vid 3400 Hz • Klangen av ett instrument ändras beroende om man spelar högt eller lågt • ”Loudness compensation” på vissa förstärkare • Minst skillnader vid 85 dB – bästa volymen för ljudredigering • Hemma spelas ofta musik kring 75-90 dB

23. Olika decibel • Skillnader mellan vad man mäter • Tryck eller spänning • Effekt • (Samband:)

24. ”Förstärkardecibel” • Ofta ser man på stereoanläggningar skalor där det högsta värdet är 0 dB, sedan bara negativa värden • 0 dB – den högsta volymen anläggningen kan ge • Denna används som referens! • Samma princip – kvoten av lägre utsignaler relativt referensen ger negativa dB

25. Olika psykoakustiska fenomen • Beats – örat kan inte separera två väldigt närliggande frekvenser • Man hör snittfrekvensen och amplituden varierar som skillnaden mellan frekvenserna • Utnyttjas när man stämmer stränginstrument 200 Hz 208 Hz 200 + 208 Hz (hörs 204 Hz, beat på 8 Hz)

26. Olika psykoakustiska fenomen • Kombinationstoner – om frekvenser är separerade med minst 50 Hz kan man höra kombinationstoner • f1 – f2 och f1 + f2 200 Hz 300 Hz 200 + 300 Hz (100 Hz) (500 Hz)

27. Olika psykoakustiska fenomen • Maskning - en stark ton maskar över svagare toner med närliggande frekvenser • T ex 4 kHz – svårt att höra svagare 3,5 kHz ton. Dock lätt att höra lika svag 1 kHz-ton. • Gäller även övertoner – 1 kHz med 2 kHz överton – svårt att höra 1900 Hz 4000 Hz 1000 Hz 4000 + 0,1*1000 4000 Hz 3500 Hz 4000 + 0,1*3500

28. Akustik • När en ljudvåg träffar en yta kommer en del energi att reflekteras, en del att absorberas eller släppas igenom • Reflekteras med infallsvinkeln • Absorption – energin omvandlas till värme • Olika förhållanden beroende på material

29. Fler begrepp • Diffusion • Ljudvågorna reflekteras åt alla håll • Diffraktion • Ljudvågorna viker av runt vassa kanter eller smala öppningar, går ”runt hörn”

30. Rumsuppfattning • Två öron ger stereomöjligheter – vi kan uppfatta vart ett ljud kommer ifrån • Ett öra kan inte lokalisera en ljudkälla ordentligt • Öronen och hjärnan analyserar • skillnaden i intensitet mellan öronen • skillnaden i ankomsttid – || – • effekterna av ytterörat • Kan även användas av ett öra (monolyssning) } } höger/vänster fram/bak upp/ner

31. Rumsuppfattning • Det uppstår en akustisk skugga för ena örat • Ljudet måste reflekteras • Förlorar intensitet • Tar längre tid • Låga frekvenser kan ”runda” huvudet (diffraktion), tar dock längre tid

32. Rumsuppfattning • Stereohögtalare • Utnyttjar intensitetskillnader till att placera ut instrument mellan högtalarna, panorering • Om ljudkällan är lika stark i båda öronen – befinner sig rakt framför • Surround – fler högtalare gör att ljudkällor kan placeras ut runtom i rummet

33. Rumsuppfattning • Ljudet sprids åt alla håll från en ljudkälla • Bara en liten del når lyssnaren direkt (direktljud) • Resten studsar runt och reflekteras eller absorberas • Olika frekvenser reflekteras olika, klangen ändras • Reflekterat ljud anländer senare och från andra håll än direktljudet • Direktljud – tidiga reflektioner – reverb

34. Rumsuppfattning

35. Rumsuppfattning • Tidiga reflektioner – inom 50 ms • Örat och hjärnan sammanfogar ljud inom ca 30 ms, allt tolkas som en och samma ljudkälla • Reflektioner gör ljudet fylligare och ger en uppfattning om rummets storlek • Större rum – tar längre tid att reflektera • Litet rum/kyrkosal?

36. Rumsuppfattning • Reverb – reflektioner som anländer efter 50 ms • Kommer från alla möjliga håll • Efterklangstid: RT60 – ljudnivån har sjunkit 60 dB • Hjärnan använder reverbets tid och klang (oftast basfrekvenser som hänger kvar längst) för att uppfatta hårdheten på omgivande ytor • Reverbets volym i förhållande till direktljud ger en uppfattning om avståndet till källan

37. Rumsuppfattning • Direktljud – ger information om ljudkällans placering, storlek och klangfärg • Tidiga reflektioner – ger information om rummets storlek • Reverb – ger information om rummets ytor. Proportionen mellan reverb och direktljud ger uppfattning om avstånd

38. Ljudeffekter • På konstgjord väg kan man ändra rummet som en inspelning ägt rum i • Genom att lägga på distortion och begränsa bandbredden (frekvenserna) kan man t ex få rösten att verka komma ur en flygplansradio Talinspelning utan effekter Talinspelning med reverb Talinspelning med distortion Talinspelning med distortion och bandbreddsbegränsning

39. Stående vågor • Strängar, rum, ja så gott som alla material har en viss egenfrekvens/resonansfrekvens • Betrakta rummet som ett slutet rör, ljudet reflekteras fram och tillbaka mellan väggarna

40. Stående vågor • Beroende på rumsdimensionerna förstärks vissa frekvenser, med våglängder som ”passar” i rummet /2  /3/2 2

41. Stående vågor • Ex. ett rum med dimensionerna 3×6×2,5 m • Grundtoner, /2: • 1=3×2, 2=6×2, 3=2,5×2 • Första överton, : • 4=3, 5=6, 6=2,5 • Frekvenser: • f1=57 Hz, f2=28 Hz, f3=68 Hz • f4=113 Hz, f5=57 Hz, f6=136 Hz • OSV…

42. Stående vågor • Försök se till att rummets dimensioner inte är multiplar av varandra

43. Lyssna! • Tänk på hur omgivningen låter vid inspelningen • Vi hör selektivt och kan urskilja ljud i störiga miljöer, vi tänker inte på störningarna • Mikrofoner tar upp allt ljud • Hörs inte förrän vid uppspelning • Försök lyssna på inspelningen • Jobbigt att spela in nytt ljud…