Akusticko-auditívna komunikácia Akustika a reč. Autor:Július Zimmermann

Transcript

1 Akusticko-auditívna komunikácia Akustika a reč Autor:Július Zimmermann 1

2 Jazyk a reč 2 Jazyk abstraktný systém lexikálnych a gramatických znakov, určený na myslenie a dorozumievanie. Reč fyzicko-psychická schopnosť človeka vytvárať a vnímať artikulované zvuky v procese vzájomnej komunikácie. Na svete jazykov (problém určenia hranice medzi nárečím a uzákoneným jazykom). Aj najprimitívnejšie kmene majú bohatú slov. zásobu a zložité gramatické 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. 3

4 Rečová komunikácia akustický signál 4 artikulátory receptory ústroje respiračné (dýchacie) ústroje fonačné (hlasové) ústroje artikulačné (hláskovacie) vonkajšie ucho stredné ucho vnútorné ucho artikulačná akustická percepčná Fonetika Fyziologická fonetika receptory + orgány genézy reči Otorinolaryngológia: oto- (ucho), rino- (nos), laryngo- (krk) lógia

5 5 Akustika skúma vznik a šírenie zvuku a jeho vnímanie sluchom. akustika fyzikálna hudobná elektroakustika stavebná fyziologická 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.

6 Zvuk je také vlnenie hmotného prostredia, ktoré vnímame sluchom. 6 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.

7 sinα = y/r y = r.sinα uhlová rýchlosťω= 2π/T α = ωt y = r.sin(ωt+φ) Harmonický pohyb y 7 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 frekvencii sila úmerná amplitúde Tri odlišné zvukové zložky reči: Zložený tón Základný tón, vyššie harmonické zložky, graf spektra 8 Šum Náhodný 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.

9 9 Pulz Krátka akustická udalosť, náhla zmena amplitúdy. Vlnenie Molekuly vzduchu, Brownov pohyb, vyrovnávanie vzdialenosti medzi molekulami. A B C D E F A B C D E F A B C D E F A B C D E F

10 Akustický 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 10 Postupné pozdĺžné vlnenie Postupné priečne vlnenie Postupné pozdĺžné vlnenie z jednopólového zdroja

11 Prenos akustickej energie. 11 Rýchlosť (šírenia sa) zvuku Vákuum. Látka Vzduch (13,4 C) Voda (25 C) Betón Oceľ Sklo Rýchlosť zvuku [m/s] Dĺžka vlny vzdialenosť, ktorú prekoná zvuková vlna za jeden cyklus: λ = c f c = rýchlosť zvuku f = frekvencia Príklad: f = 1 khz λ = c f = 340m s 1000 s = 340ms 1000s = 0,34m = 34cm

12 Rezonancia 12 Vlastné kmity Vynútené kmity - budenie, energia sa prenáša spriahnutím

13 Rezonancia 13 Vlastná frekvencia sústavy frekvencia budiaceho zdroja = 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. cca 17cm Rezonančná frekvencia 70 až 500 Hz = F 0 základný tón Ďalšie rezonancie násobky základnej frekvencie = formanty (1500Hz, 2500 Hz atď.)

14 Alexander Graham Bell ( ) Edinburgh, Nové Škótsko Patent na telegraf, telefón (1876),... Prvý tlf. rozhovor s T. A. Watsonom 14

15 Ústroje generujúce akustický rečový signál 15 tvrdé podnebie ústna dutina perná dutina jazyk nosová dutina mäkké podnebie hrdlová dutina sánka hrtan hlasivky

16 Percepčné ústroje 16

17 Vonkajšie ucho 17 ušnica bubienok zvukovod

18 kladivko Stredné ucho nákovka 18 oválne okienko strmienok vnútorné ucho vonkajšie ucho Eustachova trubica

19 Vnútorné ucho 19 polkruhovité chodbičky orgán rovnováhy slimák s Cortiho orgánom

20 Frekvencia a výška tónu Vlastnosti 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 tónu Hz = fyzikálna jednotka frekvencie 20 mel Hz mel mel = (približne) 2595*log 10 (1+f/700) Hz Vnem zmeny frekvencie: do 2 khz 3 až 4 Hz 4 khz 8 Hz 10 khz Hz

21 21 Intenzita tónu Fyzikálna jednotka intenzity W/cm 2 Intenzita prahu počuteľnosti W/cm 2 Rozsah intenzít, ktoré vníma ucho až 10-2 W/cm 2 = W/cm 2 veľký rozsah, nevhodný pre praktické výpočty Zavedenie jednotky Bell Hladina intenzity L = log I 2 [Bell, B] relatívna jednotka log 1 = 0 I 1 log 10 = 1 log100 = 2 referenčná intenzita L = 10. log I 2 I 1 [decibel, db]

22 22 Ak referenčná intenzita I 1 = W/cm 2, vzorec určuje absolútnu hladinu sily zvuku. Ak namiesto intenzity (W/cm 2 ) dosadíme hodnotu akustického tlaku P: L = 20. log P 2 P 1 [db] P v Pascaloch Pa 1 Pa = 1 N m 2 Prah počuteľnosti: Pa 0 db prah vnemu (10-16 W/cm 2 alebo Pa 3 db I 2 = 2. I 1 Prah bolesti: 130 db 10 db I 2 = 10. I 1 P 2 = 3,16. P 1 20 db I 2 = 100. I 1 P 2 = 10. P 1 30 db I 2 = I 1 P 2 = 31,6. P 1

23 Sluchové pole 23 Infrazvuk: otrasy pôdy ťažké vozidlá morský príboj Ultrazvuk: až do 1 MHz vnímajú zvieratá

24 Sluchové pole množina zvukov všetkých frekvencií a intenzít medzi infra- 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. 24 preto Hladiny rovnakej hlasitosti Zvuky rôznej výšky, ktoré človek vníma ako rovnako hlasité, nemajú rovnakú intenzitu v decibeloch.

25 Hladiny rovnakej hlasitosti db = Ph 25 Jednotka hlasitosti: Fón (Ph) Pri frekvencii 1 khz je subjektívna hlasitosť vo fónoch totožná s objektívnou intenzitou v decibeloch Pri iných frekvenciách je hlasitosť daná krivkami hladín rovnakej hlasitosti prah počutia

26 Príklad: Akú intenzitu (v db) majú tóny 100 Hz, 1000 Hz a Hz, ak každý z 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 Hz nájdeme hodnotu intenzity 55 db. 26 Praktická skúsenosť: Subjektívna hlasitosť výsledného zvuku hry 10 huslistov je (len) 2-násobná v porovnaní so subjektívnou hlasitosťou zvuku 1 huslistu. Príklad vzadu Jestvuje iná jednotka hlasitosti, ktorá (podobne ako mel pre výšku zvuku) vyjadruje zvuky dvojnásobne hlasité, polovične hlasité atď.

27 27 Jednotka hlasitosti son Porovnávací základ tón 1 khz s intenzitou 40 db má hlasitosť 1 son Vzťah medzi fónom a sonom pre tón 1 khz: Pre iné tóny: fóny sony

28 Platí v rozmedzí asi 700 až 4000 Hz 28

29 Maskovanie zvuku 29 Jav, pri ktorom je vnem zvuku potlačený iným, zvyčajne hlasnejším zvukom. maskovaný zvuk akustický tlak p 0 maskujúci zvuk akustický tlak p Maskovanie dvoch zvukov závisí od pomeru ich akustických tlakov Stupeň maskovania = 20log p p 0 vzdialenosti ich frekvencií Keď majú obidva tóny rovnakú frekvenciu, na maskovanie stačí rozdiel 7 až 15 db. Keď je maskovaný zvuk vyšší o oktávu, je potrebný rozdiel aspoň 15 až 25 db. Maskovanie frekvenčné časové

30 Frekvenčné maskovanie 30

31 Časové maskovanie 31

32 Binaurálny posluch 32 Binaurálny vnem počúvanie dvoma ušami Monaurálny vnem počúvanie jedným uchom Informácia o polohe zdroja zvuku v priestore Časový rozdiel až 0,6 ms (človek vníma rozdiel už pri 0,01 ms) Rozdiel v intenzite 5 až 20 db (minim. vnem 0,5 db) zdroj zvuku Decibelove pravidlo: pri binaurálnom posluchu je hlasitosť vyššia o cca 6 db než pri monaurálnom posluchu.

33 Percepcia reči 33 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 Hz 25 ms mimo tohto pásma 60 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 triedení hlások: hlásky tónové a, e, i... sonóry n, l... hlásky vibrujúce r hlásky 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 doplnené percepčnými testami (fonologickými metódami). Napr. segmentácia, detekcia prízvuku... Testovanie zrozumiteľnosti (verejné priestory) Logatomy slová alebo slabiky bez významu Resyntéza 34 Telefónna reč Hz Pokojná reč 30 až 65 db Šepot 10 až 20 db Hláska 40 až 150 ms Akustika reči

35 Samohlásky Sonórne spoluhlásky (j, l, ľ, r, m, n, ň) Šumové spoluhlásky tón šum 35 zložený tón šum zložený tón zložený tón šum zložený tón šum pulz h l a: s k a

36 Akustika uzavretých priestorov 36 dopadajúca energia odrazená časť prostredie I pohltená časť stena prostredie II Pomer troch zložiek závisí od akustických vlastností prostredia a steny

37 Akustická pohltivosť materiálov 37 Akustická energia sa mení na teplo. I = I e 0. αx intenzita vlny v hĺbke x metrov činiteľ akustickej pohltivosti dopadajúca energia V plynoch je pohltivosť vyššia než v kvapalinách vyššia počuteľnosť v mori než vo vzduchu Vlhký vzduch menej absorbuje energiu Vyššia frekvencia je menej pohlcovaná

38 Ozvena (echo) 38 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. Mnohonásobné odrazy zvuku od stien a jeho pohlcovanie Doba dozvuku = čas, za ktorý pôvodná intenzita zvuku I 0 klesne o 60 db (10-6.I 0 ) V praxi 1,2 až 2,5 s Zmena frekvenčnej skladby (farby) zvuku Akustická úprava stien Optimálna doba dozvuku: T = 0 V V = objem sály (m 3 ) 6 0,38.

39 Staviteľská akustika 39 Sála nemôže mať tvar kvádra Pomer dlžky:šírky:výšky 8:5:3 resp. 5:3:2

40 Zrozumiteľnosť reči 40 Testovanie zrozumiteľnosti (verejné priestory) Slabiková zrozumiteľnosť = počet slabík, ktoré poslucháč rozpoznal počet všetkých slabík [%] 85% = dobrá akustika 65% = reč nie je zrozumiteľná Logatomy slová alebo slabiky bez významu Štatistické spracovanie testov

41 Digitalizácia zvukového signálu 41 signál analógová hodnota binárna hodnota f vz 2f max A max amplitúda vstupného signálu číselný výstup 001 čas 000 T vz

42 42 T max T vz vstupný signál signál po vzorkovaní vstup. signál DP filter A/D prevod digitálne spracovanie D/A prevod DP filter výstup. signál

43

44 Literatúra Kráľ, Á. Sabol, J.: Fonetika a fonológia. SPN, Bratislava Merhaut J. a kol.: Príručka elektroakustiky. SNTL, Praha Špelda, A.: Hudební akustika. SPN, Praha Zimmermann, J.: Spektrografická a škálografická analýza akustického rečového signálu. Náuka, Prešov

45 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: 10. I L = 10log I 0 = 10 log log I I 0 = = 70dB 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