D  więk w multimediach

1. Dwięk w multimediach Ryszard Gubrynowicz Ryszard.Gubrynowicz@pjwstk.edu.pl Wykład 10

2. Układ akustycznyodbiornik - ośrodek - źródło

3. Fala akustyczna

4. Parametry fali akustycznej Lokalne maksymalne wzrosty ciśnienia-czoła fali długość fali (l) l = cT c – prędkość rozchodzenia się fali T – okres drgań l= c/f f – częstotliwość drgań Założenie: ruch cząsteczek wokół położenia równowagi jest harmoniczny

5. Model sprężysty ośrodka rozciąganie – naprężenie ujemne ściskanie – naprężenie dodatnie

6. Model sześcianu akustycznego Układ 3D – sześcian akustyczny

7. ρ0dxdydz masa elementu- przyśpieszenie- Drugie prawo Newtona w układzie 3D P0 – ciśnienie równowagi bezwładność -

8. Prawo Hooke’a Prawo Hooke’a stwierdza: odkształcenie rozchodzące się w ośrodku oddziaływuje na ścianki sześcianu z ciśnieniem liniowo proporcjonalnym do zmian jego objętości. V=dx dy dz – objętość przed odkształceniem du, dw, dv– zmiany wymiarów wzdłuż odpowiednio osi x, y, z Ciśnienie P odnosi się jedynie do nadwyżki ciśnienia w stosunku do ciśnienia równowagi p0 w środowisku (ciśnienie atmosferyczne). Ciśnienie P nazywane jest ciśnieniem akustycznym.

9. Zmienne akustyczne Podczas rozchodzenia się dźwięku w powietrzu (lub dowolnym ośrodku sprężystym), w każdym punkcie przestrzeni występują mierzalne fluktuacje ciśnienia, prędkości, temperatury i gęstości. Fizyczny stan ośrodka można opisać jako zmiany (stosunkowo małe) wokół pewnego stanu równowagi opisany przez wartości średnie powyższych parametrów. W akustyce obiektem analiz są właśnie zmiany wartości parametrów wokół pewnych wartości średnich.

10. Zależności fizyczne Dla ośrodka idealnie sprężystego istnieje liniowa zależność między ciśnieniem akustycznym i zgęszczeniem lokalnym t.j. gdzie zgęszczenie lokalne s jest definiowane jako stosunek przyrostu gęstości s do gęstości średniej w miejscu obserwacji zaś K - współczynnikiem sprężystości objętościowej

11. Ciśnienie akustyczne Mierząc ciśnienie w określonym punkcie pola akustycznego otrzymamy przebieg jego zmian w czasie: Ciśnienie atmosferyczne Fala akustyczna

12. Amplituda fali akustycznej duża amplituda – dźwięk głośny mała amplituda – dźwięk cichy

13. Przebieg zmian ciśnienia w polu fali dźwiękowej wokół pewnej wartości średniej patm = 1000 hPa 1 Pa = 1 N/m2 Ciśnienie akustyczne jest łatwe do bezpośredniego zmierzenia za pomocą mikrofonu (pomiarowego!).

14. Ciśnienie fali akustycznej Ciśnienie fali akustycznej odnosi się jedynie do nadwyżki ciśnienia w stosunku do ciśnienia równowagi w ośrodku rozchodzenia się fali (np. w powietrzu będzie to ciśnienie atmosferyczne). Ciśnienie P nazywane jest ciśnieniem akustycznym, czyli P = pa.

15. fala podłużna – fala poprzeczna fala powierzchniowa

16. Energia niesiona przez dźwięk W polu idealnie rozproszonym intensywność dźwięku maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła. Amplituda jest bezpośrednio związana z intensywnością, która określa ilość energii akustycznej przepływającej przez powierzchnię 1 m2. Mnożąc intensywność przez powierzchnię kuli można otrzymać wielkość mocy źródła (jest ona stała). Intensywność jest proporcjonalna do kwadratu ciśnienia skutecznego. Im większa jest intensywność dźwięku, tym jest odbierany jako głośniejszy.

17. Zmniejszanie się poziomu dźwięku wraz ze wzrostem odległości od źródła

18. Ile energii niesie sygnał mowy? " . . . 500 osób mówiących bez przerwy przez 12 miesięcy wytworzy energię wystarczającą do zaparzenia zaledwie 1 filiżanki herbaty." Speech and Hearing in Communication - H. Fletcher,1953,1995 Sygnał mowy generowany przez mężczyznę niesie energię 34 W, przez kobietę – 18 W (pomiar w odległości 1 m)

19. Zakres intensywności dźwięków słyszalnych Minimalna intensywność dźwięku słyszalnego wynosi w przybliżeniu 10-12 W/m2.Intensywność dźwięku powodująca uszkodzenie słuchu – powyżej 1 W/m2.

20. nie Głośność a intensywność dźwięków wywołujących wrażenie słuchowe Zakres dźwięków odbieranych od najcichszego do najgłośniejszego (tzw. próg bólu) jest jak 1 do 1 000 000 000 000 (12 zer!!!). Wrażenie głośności jednak nie wzrasta liniowo ze wzrostem intensywności

21. Prawo Webera-Fechnera Z badań psycho-akustycznych prowadzonych nad postrzeganiem różnic w głośności dźwięków wynika, że zgodnie z prawem Webera-Fechnera głośność dźwięku jest liniowo proporcjonalna do logarytmu z wartości bodźca.

22. Poziomy dźwięków słyszalnych 100 hPa Ciśnienie atmosferyczne =1 000 hPa Mowa (1m) ok. 70-75 dB

23. Wrażenie głośności a natężenie i częstotliwość tonu

24. Zależność wrażenia głośności dźwięku od częstotliwości (krzywe równej głośności) Czułość maksymalna słuchu jest w pobliżu częstotliwości 3-4 kHz i jest związana z rezonansem przewodu słuchowego i ucha środkowego Krzywe równej głośności są krzywymi uśrednionymi w grupie osób o normalnym słuchu Słuch jest mniej czuły na dźwięki o niskiej częstotliwości Dla 1000 Hz, fon = dB!

25. Łączna charakterystyka przenoszenia ucha zewnętrznego i środkowego

26. Czułość słuchu na zmiany poziomu i częstotliwości tonu

27. Zależność postrzeganej wysokości tonu od głośności dźwięku

28. Decybele A Składowe dźwięku są filtrowane zgodnie z charakterystyką równej głośności (odwróconą) w zakresie średnich poziomów (40 fonów) Eliminowane są przede wszystkim dźwięki z dolnego zakresu częstotliwości.

29. Poziom dźwięku uwzględniający charakterystykę częstotliwościową słuchu dB(A)

30. Sygnał alarmu przeciwpożarowego – 71 dB 75 dBA Szum tła w hallu uniwersytetu - 70 dB 38 dBA różnica - 1 dB 27 dBA A więc pomiar w skali dB nie jest miarodajny dla oceny słyszalności dźwięków ostrzegawczych Porównanie wielkości dB i dBA Szum tła jest niskoczęstotliwościowy !

31. Ocena subiektywna zmian głośności Minimalne postrzegane zmiany poziomu dźwięku są bliskie 1 dB. Zmiana poziomu o 10 dB wywołuje wrażenie dwukrotnej zmiany głośności dźwięku.

32. Pole słyszenia

33. Zakres słyszenia mowy i muzyki

34. Co wpływa na jakość brzmienia dźwięku stacjonarnego ? • Liczba i amplitudy harmonicznych • Składowe nieharmoniczne • Wysokość i zmiany tonu podstawowego • 4. Tony różnicowe (zwiększają słyszalność tonu podstawowego) • 5. Pasma krytyczne i maskowanie (formanty)

35. Percepcja przestrzeni

36. Uginanie się czoła fali wokół głowy – źródło fali jest punktowe

37. Przestrzenna lokalizacja źródła dźwięku • Przestrzenna lokalizacja - subiektywna ocena położenia źródła dźwięku w przestrzeni (kierunku i odległości) przez osobę znajdującą się w polu rozchodzącej się wokół niego fali akustycznej. • percepcja w przestrzeni otwartej • percepcja w przestrzeni zamkniętej (z odbiciami)

38. 2 aspekty lokalizacji źródła 1) Korelacja między postrzeganym i rzeczywistym położeniem źródła dźwięku 2) Wykrywalność minimalnych zmian położenia źródła

39. Czułość przestrzenna Na współrzędne kierunku – lewo – prawo Współrzędne podniesienia – góra – dół Współrzędne odległości – od obserwatora Słuchacze na ogół dość dobrze lokalizują położenie źródeł dźwięku znajdujących się na wprost nich, gorzej gdy są one z boku lub z tyłu głowy. Lokalizacja dwuuszna - monouszna W monousznej – decydujący jest fakt, że małżowina i głowa wpływają na charakterystykę częstotliwościową odbieranych dźwięków.

40. Trzy współrzędne słyszenia przestrzennego

41. Płaszczyzny lokalizacji źródła • Zmysł słuchu jest wszechkierunkowy, aczkolwiek dźwięki z różnych kierunków nie są jednakowo odbierane • Płaszczyzny analizy lokalizacji dźwięków: • Płaszczyzna horyzontalna (na poziomie uszu) • Płaszczyzny pionowe

42. Współrzędne sferyczne w przestrzeni źródło Kąt biegunowy Kąt azymutalny

43. Wright Patterson Air Force Base - Dayton Średnica kuli - 5 m, 277 głośników

44. Ocena subiektywna położenia źródła dźwięku = rzeczywiste położenie = oszacowane położenie

45. Percepcja odległości

46. Percepcja odległości

47. Czynniki wpływające na ocenę odległości od źródła • Znajomość głośności znajomych źródeł • Barwa dźwięku znanych źródeł (częstotliwości tonów wysokich są silniej tłumione w powietrzu, co powoduje zmianę barwy dźwięku przy oddalaniu się od jego źródła • uwypuklenie czoła fali dźwiękowej • stosunek natężenia dźwięku bezpośredniego • do dźwięków odbitych • doświadczenie słuchowe i wiązanie zjawisk • akustycznych z obserwacjami wzrokowymi

48. Lokalizacja źródła dźwięku w płaszczyźnie poziomej (horyzontalnej)

49. Cień akustyczny Gdy rozmiary głowy są porównywalne z długością fali, lub większe, powstaje wskutek odbić tzw. cień akustyczny od strony głowy, przeciwnej do strony padania fali dźwiękowej

50. Lokalizacja źródła dźwięku Poziom dźwięku docierającego do lewego ucha jest większy, niż do prawego. ILD– międzyuszna różnica poziomów jest podstawą do ustalania kierunku, z którego dociera fala dźwiękowa. Drugim elementem pomocnym w lokalizacji jest ITD– międzyuszna różnica czasu. Jednakże skuteczność lokalizacji w oparciu o pierwszy lub drugi parametr zależy od częstotliwości fali.