Akusticko-auditívna komunikácia1

Akustika a re čAutor:Július Zimmermann

2

Jazyk a re č

Jazyk – abstraktný systém lexikálnych a gramatických znakov, určený na myslenie a dorozumievanie.

Reč – fyzicko-psychická schopnosť človeka vytvárať a vnímaťartikulované zvuky v procese vzájomnej komunikácie.

Na svete 2000 – 20000 jazykov (problém určenia hranice medzi nárečím a uzákoneným jazykom).

Aj najprimitívnejšie kmene majú bohatú slov. zásobu a zložitégramatické pravidlá.

Jazyky sveta (čínština 990 mil., angličtina 500 mil. obyvateľov).

Pidgin – hybridný jazyk.

Umelé jazyky (esperanto, interlingva).

3

Využívanie zvuku pri dorozumievaní.

Hlas – reč – sluch. Komunikácia prenosom malej energie, informácia je zakódovaná v časovej zmene energie.

Prednosti zvukovej komunikácie: málo námahy, aj v tme a cez prekážky (steny).

Neverbálne jazykové prostriedky.

Vznik a vývoj písma.

Piktografické písmo, hláskové písmo.

4

Rečová komunikácia

ústrojerespiračné(dýchacie)

ústrojefonačné

(hlasové)

ústrojeartikulačné

(hlásko-vacie)

vonkajšieucho

strednéucho

vnútornéucho

akustický signál

artikulátory receptory

akustická percepčnáartikulačná

Fonetika

Fyziologická fonetika – receptory + orgány genézy rečiOtorinolaryngológia: oto- (ucho), rino- (nos), laryngo- (krk) lógia

5

akustika

fyzikálna

hudobná

fyziologická

elektro-akustika

stavebná

Fyzikálna akustika: vznik, šírenie a vlastnosti zvuku.Hudobná akustika: zvuk a jeho kombinácie v hudbe.Fyziologická akustika: organogenéza a percepcia zvuku.Elektroakustika: šírenie, záznam a reprodukcia zvuku elektronickými zariadeniami.Stavebná akustika: kvalita vnemu reči a hudby v uzavretých priestoroch.

Akustika skúma vznik a šírenie zvuku a jeho vnímanie sluchom.

6Zvuk je také vlnenie hmotného prostredia, ktoré vnímame slu chom.

Zvuk vzniká chvením (kmitaním) pružných telies.

Chvenie – následok pôsobenia dvoch protiúčinkujúcich síl: vonkajšej sily a vlastnej pružnosti telesa.

Tlmené kmity:

Kmitavý pohyb – dej, ktorý sa pravidelne opakuje po určitom časovom intervale.Periodický pohyb – časový interval je stály.

Harmonický pohyb7

sinα = y/ry = r.sinαuhlová rýchlosť ω = 2π/Tα = ωty = r.sin(ωt+φ)

y

r = 1

8

Sínusové kmitanie: amplitúda, frekvencia, perióda, jednotky. F = 1/T

Ak teleso kmitá v rytme funkcie sínus čistý, harmonický tón.

Ladička, komorné a, 440 Hz.

Znenie rôznych tónov.

Parametre tónov výška úmerná frekvenciisila úmerná amplitúde

Tri odlišné zvukové zložky reči:

Zložený tónZákladný tón, vyššie harmonické zložky, graf spektra

ŠumNáhodný signál – obsahuje všetky frekvenčné zložky počuteľného spektra.Biely šum – rovnaké energie/Hz. Polovica energie v pásme 10kHz-20kHz.Ružový šum – rovnaké energie/oktávu. 1/10 energie v tomto pásme.

Pulz

Krátka akustická udalosť, náhla zmena amplitúdy.

9

VlnenieMolekuly vzduchu, Brownov pohyb, vyrovnávanie vzdialenosti medzi molekulami.

A B C D E F

C D E FBA

C D E F

F

A B

A B C D E

10Akustický tlak. Zmeny tlaku spôsobené zvukom.Striedavé zhustenia a zriedenia (pretlak a podtlak).

Barometrický tlak, superponovanie akustického tlaku na barometrický tlak.

Zvuková vlna = striedanie zhustenia a zriedenia vzduchu. Molekuly sa nepremiestňujú, len sa pohybujú okolo svojej stálej polohy.

Zvuková vlna je pozdĺžna vlna (nie priečna). Molekuly kmitajú v smere šírenia sa vlny.

Postupné pozdĺžné vlnenie

Postupné pozdĺžné vlnenie

Postupné priečne vlnenie

Postupné pozdĺžné vlnenie z jednopólového zdroja

11Prenos akustickej energie.

Rýchlosť (šírenia sa) zvuku

5200Sklo

5000Oceľ

1700Betón

1500Voda (25 °C)

340Vzduch (13,4°C)

Rýchlosť zvuku [m/s]Látka

Vákuum.

Dĺžka vlny – vzdialenosť, ktorú prekoná zvuková vlna za jeden cyklus:

fc=λλλλ c = rýchlosť zvuku

f = frekvencia

Príklad: f = 1 kHz

cmms

ms

s

sm

fc

3434,01000

3401000

340

=====λλλλ

12

Rezonancia

Vlastné kmityVynútené kmity - budenie, energia sa prenáša spriahnutím

13

Vlastná frekvencia sústavy frekvencia budiaceho zdroja=

Rezonancia

Pri rezonancii vznikajú nútené kmity aj pri veľmi voľnom spriahnutí.Pri tesnom spriahnutí môže dôjsť aj k porušeniu materiálov sústavy.Príklady rezonancie: elektronika, akustická spätná väzba, mosty...

Nadhrtanový rečový trakt – uzavretý vzduchový stlpec s otvorom na výstupe.

Rezonančná frekvencia 70 až 500 Hz = F0 základný tón

Ďalšie rezonancie – násobky základnej frekvencie = formanty(1500Hz, 2500 Hz atď.)

cca 17cm

14

Alexander Graham Bell (1847-1922)

∗∗∗∗ Edinburgh, � Nové ŠkótskoPatent na telegraf, telefón (1876), ...Prvý tlf. rozhovor s T. A. Watsonom

15Ústroje generujúce akustický re čový signál

nosovádutina

mäkképodnebie

hrdlovádutina

hlasivky

tvrdépodnebie

ústnadutina

pernádutina

jazyk

sánka

hrtan

16Percepčné ústroje

17

Vonkajšie ucho

ušnica

zvukovod

bubienok

18

Stredné ucho

vnútorné ucho

vonkajšieucho

Eustachovatrubica

kladivko nákovka

strmienok

oválneokienko

19

Vnútorné ucho

slimák s Cortihoorgánom

polkruhovité chodbičkyorgán rovnováhy

20Vlastnosti sluchu

Vnem tónu vo frekv. rozsahu 16 Hz – 16 kHz (vnem osamelých rázov, vek).Zvýšenie frekvencie vnímame ako zvýšenie výšky, ale nie je to vzťah lineárny.Tón s dvojnásobnou frekvenciou nevnímame ako tón s dvojnásobnou výškou.

mel = subjektívna jednotka výšky tónuHz = fyzikálna jednotka frekvencie

1000090006600510040003120245019001400100067039416020Hz

32503000275025002250200017501500125010007505002500mel

mel

Hz

mel = (približne) 2595*log10(1+f/700)

Vnem zmeny frekvencie:do 2 kHz ⇒ 3 až 4 Hz4 kHz ⇒ 8 Hz10 kHz ⇒ 30-40 Hz

Frekvencia a výška tónu

21

Intenzita tónu

Fyzikálna jednotka intenzity ⇒ W/cm2

Intenzita prahu počuteľnosti ⇒ 10-16 W/cm2

Rozsah intenzít, ktoré vníma ucho ⇒ 10-16 až 10-2 W/cm2 = 1014 W/cm2

veľký rozsah, nevhodný pre praktické výpočty

Zavedenie jednotky Bell

Hladina intenzity L = logI2

I1

[Bell, B] relatívna jednotka log 1 = 0log 10 = 1log100 = 2

I2

I1

L = 10 . log [decibel, dB]

referenčná intenzita

22

Ak referenčná intenzita I1 = 10-16 W/cm2, vzorec určuje absolútnu hladinusily zvuku.

Ak namiesto intenzity (W/cm2) dosadíme hodnotu akustického tlaku P:

L = 20 . logP2

P1

[dB]P v Pascaloch – Pa

1 Pa = 1 N

m2

Prah počuteľnosti: 2 . 10-5 Pa

0 dB ⇒ prah vnemu (10-16 W/cm2 alebo 2 . 10-5 Pa

3 dB ⇒ I2 = 2 . I1

10 dB ⇒ I2 = 10 . I1 P2 = 3,16 . P1

20 dB ⇒ I2 = 100 . I1 P2 = 10 . P1

30 dB ⇒⇒⇒⇒ I2 = 1000 . I1 P2 = 31,6 . P1

Prah bolesti:130 dB

23Sluchové pole

Infrazvuk:otrasy pôdyťažké vozidlámorský príboj

Ultrazvuk:až do 1 MHzvnímajú zvieratá

24

Sluchové pole množina zvukov všetkých frekvencií a intenzít medziinfra- a ultrazvukom a medzi prahom počutia a prahom bolesti.

Oblasť reči je časťou oblasti hudby.

Z krivky prahu počutia aj prahu bolesti vyplýva, že vnem je závislý od frekvencie zvuku.

V okolí 3-4 kHz je ucho najcitlivejšie, na obe strany citlivosť klesá.

Ani vo vnútri sluchového poľa nie je vnem rovnaký pri rôznych frekvenciách.

Jednotka decibel necharakterizuje vnem.

preto

Hladiny rovnakej hlasitosti

Zvuky rôznej výšky, ktoré človek vníma ako rovnako hlasité, nemajúrovnakú intenzitu v decibeloch.

Hladiny rovnakej hlasitosti 25

Jednotka hlasitosti:Fón (Ph)

Pri frekvencii 1 kHz je subjektívna hlasitosť vo fónoch totožnás objektívnou intenzitou v decibeloch

Pri iných frekvenciách je hlasitosť daná krivkami hladín rovnakej hlasitosti

dB = Ph

prah po čutia

26

Príklad:Akú intenzitu (v dB) majú tóny 100 Hz, 1000 Hz a 10 000 Hz, ak každýz nich znie s rovnakou hlasitosťou 50 Ph?

Riešenie: tón 1000 Hz má intenzitu zhodnú s hlasitosťou, teda 50 dB.Pre tón 100 Hz nájdeme priesečník tejto frekvencie s krivkou hladiny rovnakej hlasitosti 50 Ph, tento priesečník určuje intenzitu 60 dB na ľavej zvislej osi. Rovnakým postupom pre tón 10 000 Hz nájdeme hodnotu intenzity 55 dB.

Praktická skúsenos ť:Subjektívna hlasitosť výsledného zvuku hry 10 huslistov je (len)2-násobná v porovnaní so subjektívnou hlasitosťou zvuku 1 huslistu.

Jestvuje iná jednotka hlasitosti, ktorá (podobne ako mel pre výšku zvuku) vyjadruje zvuky dvojnásobne hlasité, polovične hlasité atď.

Príklad vzadu

27

Porovnávací základ tón 1 kHz s intenzitou 40 dB má hlasitosť 1 son

Jednotka hlasitosti son

Vzťah medzi fónom a sonompre tón 1 kHz:

140

250

460

870

1680

3290

64100

sonyfóny

Pre iné tóny:

28

Platí v rozmedzí asi 700 až 4000 Hz

29

Maskovanie zvuku

Jav, pri ktorom je vnem zvuku potlačený iným, zvyčajne hlasnejším zvukom.

maskovaný zvuk – akustický tlak p0maskujúci zvuk – akustický tlak p

Stupeň maskovania 0

log20pp=

Maskovanie dvoch zvukov závisí od pomeru ich akustických tlakov

vzdialenosti ich frekvencií

Keď majú obidva tóny rovnakú frekvenciu, na maskovanie stačí rozdiel7 až 15 dB.

Keď je maskovaný zvuk vyšší o oktávu, je potrebný rozdiel aspoň15 až 25 dB.

Maskovanie frekvenčné

časové

30

Frekven čné maskovanie

31

Časové maskovanie

32

Binaurálny posluch

Binaurálny vnem – počúvanie dvoma ušamiMonaurálny vnem – počúvanie jedným uchom

Informácia o polohe zdroja zvuku v priestore

zdroj zvuku

Časový rozdiel – až 0,6 ms (človek vníma rozdiel užpri 0,01 ms)

Rozdiel v intenzite – 5 až 20 dB (minim. vnem0,5 dB)

Decibelove pravidlo:pri binaurálnomposluchu je hlasitosťvyššia o cca 6 dB nežpri monaurálnomposluchu.

33

Percepcia re či

Reč – akustický signál nesúci informácie o svojej intenzite, výške základného tónu a farbe hlasu

Aby bol signál vnímaný, jeho trvanie musí trvať minimálne:15 ms pri 500 – 5000 Hz25 ms mimo tohto pásma60 ms pri 50 Hz

Na vnem výšky tónu treba aspoň 16 kmitov

Na vnem prízvučnosti treba slabiku dlhú aspoň 40 ms

Sluch filtruje reč od iných zvukov, rozlišuje vety, rytmické takty a slová, slabiky a hlásky (fonémy). Sluchové kritériá sa dávno používajú pri triedeníhlások:hlásky tónové a, e, i... sonóry n, l...hlásky vibrujúce rhlásky klzavé ia, ie, iu...Hlásky sikavé s, c, š...

34

Percipient vníma okrem zvukov reči aj neverbálne prostriedky (pohyb pier, gestá, výraz tváre, zafarbenie zvuku...)

Metódy akustickej analýzy (fonetické metódy) musia byť doplnenépercep čnými testami (fonologickými metódami). Napr. segmentácia, detekcia prízvuku...

Testovanie zrozumite ľnosti (verejné priestory)

Logatomy – slová alebo slabiky bez významu

Resyntéza

Akustika re či

Telefónna reč – 300 – 3400 HzPokojná reč – 30 až 65 dBŠepot – 10 až 20 dBHláska – 40 až 150 ms

35

Samohlásky

Sonórne spoluhlásky (j, l, ľ, r, m, n, ň)

Šumové spoluhlásky

tón

šum

zložený tónšum

zložený tón

zložený tón šum pulz

zložený tón

h l a: s k a

šum

36

Akustika uzavretých priestorov

prostredie I

prostredie II

stenapohltená časť

odrazená časťdopadajúca

energia

Pomer troch zložiek závisí od akustických vlastností prostredia a steny

37

Akustická pohltivos ť materiálov

Akustická energia sa mení na teplo.

xII αααα−= e.0

intenzita vlny v hĺbke x metrov

dopadajúca energia

činiteľ akustickej pohltivosti

V plynoch je pohltivosť vyššia než v kvapalinách vyššia počuteľnosťv mori než vo vzduchu

Vlhký vzduch menej absorbuje energiu

Vyššia frekvencia je menej pohlcovaná

38

Ozvena (echo)

Rozmery odrazovej steny musia byť omnoho väčšie než vlnová dĺžka zvuku

Zdroj zvuku musí byť aspoň 17 m od steny spozdenie odrazeného zvuku o 0,1 s vzhľadom na pôvodný zvuk

Uhol odrazu = uhlu dopadu

Dozvuk

Doznievanie zvuku po jeho vypnutí v uzavretom priestore. Mnohonásobnéodrazy zvuku od stien a jeho pohlcovanie

Doba dozvuku = čas, za ktorý pôvodná intenzita zvuku I0 klesne o 60 dB (10-6.I0) V praxi 1,2 až 2,5 s

Zmena frekvenčnej skladby (farby) zvuku

Akustická úprava stien

Optimálna doba dozvuku:6

0 .38,0 VT = V = objem sály (m3)

39

Stavite ľská akustika

Sála nemôže mať tvar kvádra

Pomer dlžky:šírky:výšky8:5:3 resp. 5:3:2

40

Zrozumite ľnos ť reči

Testovanie zrozumite ľnosti (verejné priestory)

Slabiková zrozumiteľnosť =

85% = dobrá akustika65% = reč nie je zrozumiteľná

Logatomy – slová alebo slabiky bez významu

Štatistické spracovanie testov

počet slabík, ktoré poslucháč rozpoznalpočet všetkých slabík [%]

41

Digitalizácia zvukového signálu

Amax

am

plitú

da

vstu

pnéh

o si

gnál

u

Tvz

čas

signál analógová hodnota binárna hodnota

000

001

010

011

100

101

110

111

čís

elný

výs

tup

fvz ≥≥≥≥ 2fmax

Tmax

Tvz vstupný signál signál po vzorkovaní

42

DP filter A/Dprevod

digitálnespraco-vanie

D/Aprevod

DP filtervstup.signál

výstup.signál

Syntéza umelého re čového signálu43

FM syntéza

Wave Table syntéza (difónová syntéza)

44Literatúra

Kráľ, Á. – Sabol, J.: Fonetika a fonológia. SPN, Bratislava 1989.

Merhaut J. a kol.: Príručka elektroakustiky. SNTL, Praha 1964.

Špelda, A.: Hudební akustika. SPN, Praha 1978.

Zimmermann, J.: Spektrografická a škálografická analýza akustického rečového signálu. Náuka, Prešov 2002.

Príklad:Huslista hrá 587 Hz pri 60 dB. Aká je hladina hlasitosti? Ak hrá ten istý tón 10 huslistov, každý pri 60 dB, aká je celková intenzita a celková hlasitosť?

Riešenie: z kriviek hladín rovnakej hlasitosti pre tón 587 Hz pri 60 dB odčítame hlasitosť 63 Ph.10 huslistov hrá s 10-násobnou intenzitou:

dB706010log1010log10.10

log1000

=+=+==II

II

L

Z kriviek hladín rovnakej hlasitosti pre tón 587 Hz pri 70 dB odčítame hlasitosť 73 Ph.Hlasitosť pri hre 10 huslistov sa zvýšila o 10 Ph.

45