5. SLUŠNA AKUSTIKA - Fer
5. SLUŠNA AKUSTIKA - Fer
5. SLUŠNA AKUSTIKA - Fer
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>5.</strong> <strong>SLUŠNA</strong> <strong>AKUSTIKA</strong><br />
Uho je najviši sudac!<br />
Pojam sluh objedinjuje sve što je potrebno da bi se stvorio<br />
svjesni ili nesvjesni slušni doživljaj: uho (vanjsko, srednje<br />
unutrašnje), slušne živce, te višerazinsku nelinearnu<br />
dvokanalnu obradu signala.<br />
Primarna zadaća sluha je očuvanje osobnog integriteta,<br />
zapravo spašavanje života.<br />
Tek potom dolazi na red obrada (ne)korisnih i (ne)ugodnih<br />
informacija. Čovjek sluhom dobiva oko 86% svih<br />
komunikacijskih informacija.<br />
Procesiranje slušne informacije ovisi o njoj samoj:<br />
• ako je relevantna i promjenjiva, procesiranje je intenzivno;<br />
• ako nije, klasifikacija će je potisnuti iz svijesti.<br />
Sluh doslovce nikada ne spava! (dok´ si živ…)<br />
Ovako izgleda presjek akustičkog i pretvaračkog dijela<br />
“najvišeg suca”:<br />
1
<strong>5.</strong>1. UHO<br />
Vanjsko uho sastoji se od:<br />
• školjke (pinna, concha),<br />
• slušnog kanala (zvukovoda),<br />
• bubnjića.<br />
Prijenosna funkcija uha u slobodnom polju<br />
U ovisnosti o frekvenciji i upadnom kutu zvuka razlikuju se<br />
prijenosne karakteristike uha:<br />
Sl. Prijenosne karakteristike ovisne o frekvenciji odnosno kutu<br />
upada zvučnog vala.<br />
2
Slušni kanal<br />
Prilagođenje impedancija zraka i limfe različitim površinama<br />
bubnjića i stremena (odnosno ovalnog prozorčića) i<br />
prijenosnim omjerom koščica<br />
Sl. Frekvencijska karakteristika impedancije bubnjića.<br />
3
Važna je i karakteristika apsorpcije, te se vidi da je ona<br />
najveća između 2 i 3 kHz.<br />
Sl. Frekvencijska karakteristika zvučne apsorpcije bubnjića.<br />
Srednje uho:<br />
bubnjić,<br />
slušne koščice (čekić,<br />
nakovanj i stremen), te<br />
ovalni prozorčić i<br />
Eustachijeva cijev (dolje)<br />
Prva koščica je čekić, spojena je sa sredinom bubnjića te se<br />
zajedno s njim pokreće oko osi na obodu bubnjića. Gibanje<br />
čekića se prenosi na nakovanj, koji je pak vezan na stremen.<br />
Prijenosni omjer tog polužnog sustava je promjenjiv, između<br />
1,3:1 i 3:1, ali se konačno prilagođenje (veliki zvučni tlak u<br />
tekućini unutrašnjeg uha) postiže zahvaljući omjeru površina<br />
ovalnog prozorčića i površine bubnjića u iznosu od 3:80 mm2 .<br />
Time se mehanička sila povećava između 35 i 80 puta.<br />
4
Prijenosna funkcija srednjeg uha<br />
Unutrašnje uho (labirint) sastoji se od predvorja,<br />
polukružnih kanala i pužnice.<br />
Izgled pužnice (cochlea), stremena, prozorčića i slušnog<br />
živca.<br />
5
Presjek razmotane pužnice<br />
Cochlea<br />
Presjek dijela pužnice: bazilarna membrana s Cortijevim<br />
organom, tektorijalna i Reissnerova membana<br />
6
Cortijev organ; cilije (vanjske i unutrašnje) na bazilarnoj<br />
membrani, a iznad njih se nalazi tektorijalna membrana.<br />
Prijenosna funkcija unutrašnjeg uha<br />
<strong>5.</strong>2. SLUŠNI PROCES<br />
Zvučna energija, prenesena na tekućinu unutrašnjeg uha,<br />
proizvodi hidraulički tlačni val koji pobuđuje bazilarnu<br />
membranu na titranje.<br />
Bazilarna membrana je na početnom dijelu kruta i zategnuta,<br />
a pri kraju je debela i mlohava. Zato će mjesto najvećih<br />
titrajnih pomaka ovisiti o frekvenciji. Visoke frekvencije će<br />
izazvati najveće gibanje na početnome, a niske na završnome<br />
dijelu membrane. Time membrana prostorno, po svojoj duljini.<br />
razlaže kompleksni val u sinusne komponente, čime ona ima<br />
funkciju grubog spektralnog analizatora.<br />
Stvarne amplitude su vrlo male: uz zv. tlak od 1 μb amplituda<br />
je oko 1 nm.<br />
Duž bazilarne membrane val se proširi za 5 ms.<br />
7
Kod savijanja bazilarne membrane dlačice se odgovarajuće<br />
deformiraju, te se zbog mehaničkog naprezanja u cilijarnim<br />
stanicama mijenjaju elektrokemijski uvjeti (stvara se<br />
elektrostatski naboj i time negativni istosmjerni potencijal (do<br />
oko 80 mV), mijenja se otpor stanice i time dolazi do<br />
modulacije struje, te nastaju impulsi koji nose informaciju. Ti<br />
impulsi se dalje odvode snopom živaca koji završavaju<br />
neuronima na odgovarajućim mjestima u mozgu.<br />
Time se razlikuje analogna kohlearna mikrofonska struja i<br />
živčana (neuronska) akciona struja, koja je u obliku strujnih<br />
impulsa.<br />
Signal se do mozga prenosi pulsno-frekvencijski moduliran,<br />
dakle u kodiranom obliku.<br />
O broju impulsa koji protječu kroz neurone ovisi primarna<br />
obrada signala.<br />
Broj impulsa po neuronu je do oko 150 u sek i direktno su<br />
proporcionalni glasnoći.<br />
Struktura pužnice<br />
Informaciju prenose izdanci, dendriti<br />
i axoni, a između njih prenose je<br />
synapse.<br />
8
Prikaže li se pužnica razmotano, vidljivi su različiti presjeci<br />
po dužini.<br />
Bazilarna membrana titra frekvencijski selektivno, pa je se<br />
može podijeliti po dužini na 24 pojasa.<br />
Ti pojasi, odnosno frekvencijske grupe imaju do oko 500 Hz<br />
pojasnu širinu od oko 100 Hz, a iznad 500 Hz im je približno<br />
jednaka terci.<br />
Tonska grupa unutar svakog pojasa naziva se bark (prema<br />
Barkhausenu, koji je uveo jedinicu za mjerenje glasnoće, fon).<br />
9
<strong>5.</strong>3. SVOJSTVA SLUHA<br />
<strong>5.</strong>3.1 PRAGOVI SLUHA<br />
Slušna ploha, prag<br />
čujnosti i bola.<br />
Slušna ploha zdravog čovjeka ovisna je o njegovoj dobi.<br />
Prag razlučivanja razine u odnosu na prag čujnosti<br />
10
Prag čujnosti za vrste (primati): Tupaia glis (tree shrew),<br />
Galago senegalensis (bush baby), Macaca nemestrina<br />
(makaki), Pan paniscus (čimpanza) i Homo sapiens<br />
(čovjek)<br />
Audiogrami nekih većih sisavaca<br />
1 - Ovis aries -ovca<br />
2 - Equus caballus - konj<br />
3 - Bos taurus - govedo<br />
4 - Elephas maximus - indijski slon<br />
Promjene karakteristika praga čujnosti mogu biti prolazne<br />
(temporary threshold shift, TTS) ili trajne (PTS, permanent TS).<br />
Nagluhost i gubitak sluha mogu biti a) konduktivni i /ili b)<br />
perceptivni.<br />
To znači a) gubitak sluha zbog mehaničkih poteškoća, i često<br />
je moguća kirurška pomoć.<br />
b) perceptivna nagluhost je posljedica degenerativnih<br />
promjena na cilijarnim stanicama i živčanih završetaka u<br />
pužnici.<br />
Audiometar je ambulantni/laboratorijski uređaj za mjerenje<br />
osnovnih svojstava sluha.<br />
Kod oštećenja srednjeg uha, a sačuvanog unutrašnjeg,<br />
moguće je izmjeriti audiogram dovođenjem mjernog signala<br />
odgovarajućim vibratorom na mastoid, odnosno kost iza<br />
školjke.<br />
11
<strong>5.</strong>3.2. OSJET GLASNOĆE<br />
Oštećenje cilijarnih<br />
stanica Cortijevog organa<br />
zbog utjecaja buke.<br />
Oštećenje je ireverzibilno<br />
i uzrokuje oko 40%<br />
gubitka sluha<br />
Glasnoća nekog zvuka mjeri se tako da se uspoređuje s<br />
glasnoćom tona frekvencije 1000 Hz. Za ljestvicu zvučnih<br />
tlakova na toj frekvenciji uzeta je skala decibela s nultom<br />
vrijednosti na referentnom zvučnom tlaku od 20 μPa.<br />
Na temelju slušnog uspoređivanja može se, mijenjajući zvučni<br />
tlak na toj frekvenciji, ugoditi ista glasnoća koju ima mjereni<br />
zvuk. Ako se takvom usporedbom dobije da mjereni zvuk ima<br />
istu glasnoću kao ton frekvencije 1000 Hz na razini zvučnog<br />
tlaka od 80 dB iznad referentne razine, onda se smatra da<br />
mjereni zvuk ima razinu glasnoće od 80 fona.<br />
Prema tome, jedinica za glasnoću je fon.<br />
Osjetljivost uha i izofonske krivulje<br />
12
Skala glasnoće u<br />
sonima i jedinica<br />
son kod koje porast<br />
razine glasnoće za<br />
10 fona odgovara<br />
povišenju za<br />
dvostruki broj sona.<br />
Prema definiciji, na razini glasnoće od 40 fona na skali<br />
glasnoće u sonima to je glasnoća od 1 sona. Svaki porast<br />
od 10 fona donosi podvostručenje glasnoće u sonima.<br />
Lf= 40 + 33 log Ls Lf , Ls razine glasnoće u fonima i sonima<br />
Upravo perceptibilne promjene glasnoće<br />
13
Smatra se da je obrada signala u vezi definitivnog<br />
određivanja glasnoće završena nakon 200 ms.<br />
Izračunavanje razine glasnoće<br />
Posebna je osobina frekvencijske grupe od jednog barka u<br />
tome što razina glasnoće ovisi samo o zvučnom intenzitetu,<br />
odnosno o efektivnoj vrijednosti zvučnog tlaka.<br />
Ako zvuk zbog svog frekvencijskog sastava zahvaća dva ili<br />
više frekvencijska pojasa uz istu efektivnu vrijednost zvučnog<br />
tlaka rasti će i razina glasnoće.<br />
Na osnovi toga se može izračunati razina glasnoće koja se<br />
dobije od više zvučnih izvora, zbrajajući njihove intenzitete.<br />
Ako n zvučnih izvora djeluje istodobno, ukupni je intenzitet:<br />
I = I1 + I2 + I3 +...+ In Za ukupni zvučni tlak vrijedi:<br />
p = √p 2<br />
1 + p2<br />
2 + p3<br />
2 +...+pn 2<br />
Ako n jednakih zvučnih izvora proizvodi zvuk ukupna razina<br />
glasnoće je:<br />
L = 10 log (n I)/ I0 = L1 + 10 log n (fona)<br />
pri čemu je L1 razina glasnoće pojedinog izvora.<br />
Dva jednaka izvora dat će razinu glasnoće za 10 log 2 = 3 fona<br />
višu od one pojedinog izvora (slika), itd.<br />
14
promjena glasnoće<br />
osnovna glasnoća - -<br />
jedva glasnije +1 dB<br />
čujno glasnije +3 dB<br />
dvostruko glasnije +10 dB<br />
4 × glasnije +20 dB<br />
broj izvora<br />
promjena zv. tlaka<br />
Ukupna razina glasnoće izračunava se prema izrazu:<br />
L = L1 + ΔL<br />
odnosno prema sl.:<br />
Dijagram za određivanje<br />
indeksa glasnoće na osnovi<br />
oktavne razine zv. tlaka.<br />
×1<br />
×1,1<br />
×1,4<br />
×3<br />
×10<br />
15
Ukupnu glasnoću Suk dobiva se zbrajanjem svih pojedinačnih<br />
indeksa glasnoće S:<br />
Suk = Smaks +0,3 (ΣS -Smaks )<br />
Faktorom 0,3 uzeta je u obzir pojasna širina i efekt maskiranja.<br />
Broj sona dobivenih prema formuli treba prebaciti u glasnoću u<br />
fonima.<br />
Ovakav postupak je upotrijebljiv ako je:<br />
• spektar zvuka jednoličan, bez znatno izraženih komponenata<br />
• zvuk kontinuiran,<br />
•zvučno polje difuzno<br />
<strong>5.</strong>3.3. OSJET VISINE TONA<br />
Osjet visine tona nije proporcionalan iznosu promjene<br />
frekvencije, nego omjeru promjene.<br />
Npr., porast frekvencije sa 100 na 120 Hz izaziva isti osjet<br />
promjene tona kao i promjena frekvencije s 5 kHz na 6 kHz.<br />
To znači da se osjet visine tona mijenja s logaritmom<br />
frekvencije.<br />
Na osjet visine tona utječe i njegova glasnoća. Na<br />
frekvencijama od 20 Hz do 1500 Hz osjet visine tona se<br />
smanjenjem glasnoće za 50 dB mijenjao između 5% i 1,5%.<br />
Povećanjem glasnoće ton djeluje višim.<br />
Utjecaj razine zvuka na percepciju visine tona:<br />
16
Ako su tonovi npr. cjelobrojne vrijednosti malih brojeva osjet<br />
tih tonova je harmoničan. Npr. 1:2 je oktava, 1:3 terca, 3:2<br />
kvinta.<br />
Na frekvencijama iznad 500 Hz i uz glasnoće oko 70 fona<br />
pojavljuje se prag razlikovanja uz frekvencijsku devijaciju od<br />
oko 2 - 3 ‰ .<br />
Da bi se neki ton mogao prepoznati, mora trajati između 4 i 10<br />
ms (za frekvencijsko područje između 400 Hz i 10 kHz). Ispod<br />
100 Hz vrijeme prepoznavanja je dulje od 30 ms.<br />
S obzirom na subjektivnost čovjek razlikuje dvije tonske visine:<br />
harmonijsku i melodijsku.<br />
Jedinica za osjetnu veličinu tonske visine je mel (prema<br />
melodiji).<br />
Čovjek čuje oko 10 harmonijskih i 6,3 melodijske oktave.<br />
17
VIRTUELNA VISINA TONA - residuum<br />
<strong>5.</strong>3.4. BOJA TONA<br />
Za osjet boje tona nisu značajne samo frekvencije i amplitude<br />
pojedinih harmonika kompozitnog audio-signala, nego prije<br />
svega omjer njihovih frekvencija, međusobnog rasporeda i<br />
izobličenja vremena kašnjenja.<br />
18
<strong>5.</strong>3.<strong>5.</strong> SUBJEKTIVNI TONOVI, TREPTAJI<br />
Takvo kolebanje tonske ovojnice frekvencije ispod 20 Hz<br />
osjeća se često kao podrhtavanje zvuka. Jačina kolebanja<br />
izražava se jedinicom vacil.<br />
Jačina kolebanja od 1 vacila je ako je sinusni ton frekvencije 1<br />
kHz, razine 60 dB, moduliran s 4 Hz i dubine modulacije 1.<br />
Kolebanje tonske ovojnice u frekvencijskom području između<br />
30 i 300 Hz osjeća se kao “promuknutost” odnosno grubost.<br />
Jedinica grubosti je asper. Pri frekvenciji tona od 1 kHz, razine<br />
60 dB, moduliranog sa 70 Hz i dubine modulacije 1, grubost<br />
tona iznosi 1 asper.<br />
Zbog nelinearnosti uha nastaju kombinirani tonovi<br />
Slušanjem tona dovoljne glasnoće u uhu će se pojaviti i<br />
njegovi auralni harmonici. Npr.: slušajući f 1 = 200 Hz i f 2 = 604<br />
Hz čuti će se treptaj koji je nastao od trećeg harmonika f 1 i f 2.<br />
19
Ovisnost pojave subjektivnih (auralnih) harmonika o razini zv.<br />
intenziteta iznad praga čujnosti i frekvenciji.<br />
m f 1 , n f 2 , m f 1 ±n f 2 , gdje su m i n = 0,1, 2, 3, 4,<br />
<strong>5.</strong>3.6. MASKIRANJE<br />
Maskiranje uskopojasnim<br />
šumom<br />
fc= 1 kHz,<br />
Δf=160 Hz<br />
Slično je i maskiranje praga čujnosti sinusnim signalom<br />
(Feldtkeller i Zwicker) od 400 Hz....<br />
20
.....i sinusnim signalom na 1200 Hz<br />
Maskiranje sinusnih tonova bijelim šumom.<br />
Kod binauralnog maskiranja, koje je često, pokazuje se porast<br />
praga maskiranja, u prosjeku 50 dB.<br />
21
<strong>5.</strong>3.7. LOKALIZIRANJE IZVORA ZVUKA<br />
Uobičajena lokalizacija je binauralna.<br />
Koordinatni sustav za određivanje prostornih značajki sluha.<br />
Lokalizacija je većim dijelom bazirana na:<br />
•vremenskoj razlici između lijevog i desnog uha (interauralne<br />
vremenske razlike IVR, interaural time difference)<br />
• razlici u glasnoći lijevog i desnog uha zbog zasjenjivanja<br />
glave i školjki<br />
• faznih razlika između oba uha pri kontinuiranom signalu<br />
(interauralne intenzitetne razlike IIR, interaural intensity difference)<br />
• dinamičkoj lokalzaciji pomicanjem glave<br />
• spektralnoj razlici zvuka ovisno o smjeru dolaska i analizi<br />
zvučne scene<br />
Procesiranje zvuka počinje 7... 35 μs nakon što prva<br />
promjena zvučnog tlaka stigne do bubnjića.<br />
22
Mjerenje i računanja interauralne vremenske razlike IVR<br />
D<br />
Δs<br />
=<br />
2<br />
( φ + sinφ<br />
)<br />
Kod uobičajene brzine zvuka u laboratorijskim uvjetima<br />
najveći IVR iznosi oko 690 μs.<br />
Vidljivo je da za pozitivne azimute (od 0° do 180°) postoji<br />
dvoznačnost, odnosno ista vrijednost IVR-a se dobije simetrično<br />
oko vertikalne ravnine. Taj je fenomen poznat pod nazivom<br />
"konus konfuzije“.<br />
Taj problem se smanjuje ili potpuno neutralizira dinamičkom<br />
lokalizacijom pomicanjem glave (“nul-metoda”).<br />
Smatra se da je najmanja perceptibilna razlika ≈3μs.<br />
To odgovara oštrini od 30 do 50 (najveća oštrina 10 ).<br />
23
Interauralne intenzitetne razlike IIR<br />
Interauralne<br />
vremenske razlike u<br />
ovisnosti o<br />
frekvenciji i azimutu.<br />
Sluh može zamijeniti IIR za IVR i to zove postupak zamjene<br />
(trading), i označava se kao kompenzacijski faktor [μs/dB]<br />
Ovisan je o glasnoći, ali i o tranzijentnim i spektralnim<br />
svojstvima signala.<br />
Sluh analizira vremenske razlike do oko 1,6 kHz (time image).<br />
Kompenzacijski faktor je do 40 μs/dB.<br />
Osim percepcije (bitnije) vremenske razlike sluh percipira i<br />
tlačne razlike, i to po cijelom frekvencijskom području (intensity<br />
image). Kompenzacijski faktor je 200 - 70 μs/dB. Ispod 400 Hz<br />
tlačne razlike ne daju pouzdane vrijednosti zbog ogiba. Tlačne<br />
razlike od 8-10 dB subjektivno pomiču izvor potpuno u stranu.<br />
24
Za pomak iz medijalne ravnine lateralna oštrina iznosi između<br />
0,8 i 1,5 dB.<br />
Osim vremenskih i tlačnih razlika uho procesira vremenske<br />
pomake ovojnice signala oba uha od 100 Hz do 20 kHz.<br />
Kompenzacijski faktor je od 2 - 200 μs i pada s porastom<br />
glasnoće.<br />
Kod širokopojasnih signala se za lokalizaciju koriste i razlike u<br />
boji tona koje nastaju zbog razlika u razini zvučnog tlaka.<br />
Oštrina lokalizacije u horizontalnoj ravnini u osi uha (900 ) je<br />
oko ±9,20 , a sasvim straga (1800 ) ± 5,50 .<br />
U medijalnoj ravnini oštrina je znatno manja: naprijed ±90 ,<br />
gore ±130 do ±220 i straga ±150 .<br />
Točnost lokalizacije u horizontalnoj (desno) i medijalnoj<br />
ravnini (lijevo)<br />
Točnost lokalizacije u horizontalnoj ravnini sa samo<br />
jednim uhom.<br />
25
Karakteristika izobličenja vremena kašnjenja zbog<br />
interauralnog faznog pomaka<br />
Dva izvora zvuka između kojih je mala vremenska ili tlačna<br />
razlika stvaraju subjektivno jedan, virtuelni zvučni izvor.<br />
Radi se o lokalizaciji na osnovi sumiranja, što se koristi kod<br />
stereofonskog prijenosa.<br />
Ako je vremenska razlika između oba signala na mjestu<br />
slušatelja veća od 1 ms, pozicija slušnog doživljaja ovisi o<br />
poziciji izvora čiji signal je prvi stigao do slušatelja. Drugi<br />
izvor postaje irelevantan u lokalizacijskom smislu. Taj efekt,<br />
važan kod ozvučavanja, zove se zakonom prvog valnog<br />
čela (efekt predhodnosti, precedence effect, Cremer 1948.).<br />
Prekorači li kašnjenje neku gornju granicu, nastaju dva<br />
slušna doživljaja, čije pozicije uglavnom ovise o pozicijama<br />
izvora. Drugi slušni doživljaj naziva se jekom.<br />
Prag jeke<br />
26
Haas je ustanovio (1939.) da kasni li zvuk iz jednog izvora u<br />
odnosu na drugi (jednaki signali su iz oba izvora) za 5 - 35 ms<br />
(govor 10 - 20 ms), slušatelj čuje samo zvuk koji ne kasni.<br />
Uz kašnjenje od 35 - 50 ms čuje se i drugi zvuk, ali iz smjera<br />
nezakašnjelog (dolazi do subjektivnog povećanja zvučnog<br />
izvora).<br />
Kod još većeg kašnjenja čuje se jasna jeka.<br />
Uz kašnjenje od 5 - 35 ms može sekundarni zvuk biti i do 10<br />
dB glasniji od primarnog a da ga slušatelj ne čuje.<br />
Sl. Oštrina lokaliziranja ovisna je o stupnju koherentnosti<br />
signala.<br />
Koherentni izvori u akustici zadovaljavaju sljedeća svojstva:<br />
• signali imaju jednaki valni oblik, samo amplitude mogu biti<br />
različite (razlika u amplitudi im je neovisna o frekvenciji)<br />
• imaju određeno vremensko kašnjnje u dolasku na uha koje<br />
nije ovisno o frekvenciji<br />
• signali mogu biti invertirani jedan u odnosu na drugog,<br />
odnosno imaju faznu razliku od 180°.<br />
27
Jedan od osnovnih mehanizama koje sluh koristi kod<br />
određivanja smjera dolaska zvuka je matematički model<br />
interauralne križne korelacije (IAKK).<br />
Interauralna križna korelacija u normaliziranom obliku:<br />
c(<br />
τ ) = lim<br />
+ T<br />
T →∞<br />
1<br />
−T<br />
+ T<br />
2<br />
+ T<br />
2<br />
xrms<br />
⋅ yrms<br />
2T<br />
1<br />
2T<br />
∫<br />
−T<br />
x(<br />
t)<br />
y(<br />
t + τ ) dt<br />
x(<br />
t)<br />
y(<br />
t + τ )<br />
=<br />
x ( t)<br />
dt y ( t)<br />
dt<br />
∫ ∫<br />
−T<br />
Osjet udaljenosti gibanja izvora<br />
Točnost određivanja udaljenosti izvora za impulsni zvuk, u<br />
horizontalnoj ravnini za azimut 0°.<br />
Poznatiji efekti, npr.:<br />
• Coctail-party efekt<br />
• Franssenov efekt<br />
• Cliftonov klik<br />
28