Psykoakustiikka

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 27. kesäkuuta 2017 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 17 muokkausta .

Psykoakustiikka  on tieteellinen tieteenala , joka tutkii ihmisen äänihavainnon psykologisia ja fysiologisia ominaisuuksia .

Puhtaasti musiikillisessa mielessä psykoakustiikan päätehtävät ovat seuraavat:

Tausta

Monissa akustiikka- ja äänisignaalinkäsittelysovelluksissa on välttämätöntä tietää, mitä ihmiset kuulevat . Ilmanpaineaaltojen tuottama ääni voidaan mitata tarkasti nykyaikaisilla laitteilla. Ei kuitenkaan ole helppoa ymmärtää, kuinka nämä aallot vastaanotetaan ja näytetään aivoissamme. Ääni on jatkuva analoginen signaali , joka (olettaen, että ilmamolekyylit ovat äärettömän pieniä) voi teoriassa kuljettaa äärettömän määrän tietoa (koska amplitudi- ja vaiheinformaatiota sisältäviä värähtelyjä on ääretön määrä).

Havaintoprosessien ymmärtäminen antaa tutkijoille ja insinööreille mahdollisuuden keskittyä kuulokykyyn ja jättää huomiotta muiden järjestelmien vähemmän tärkeät ominaisuudet. On myös tärkeää huomata, että kysymys "mitä ihminen kuulee" ei ole vain kysymys korvan fysiologisista kyvyistä , vaan monin tavoin myös havaintopsykologiasta .

Äänen havaitsemisen rajat

Henkilö kuulee nimellisesti ääniä alueella 16 - 20 000 Hz . Ylärajalla, kuten alarajalla, on taipumus laskea iän myötä. Useimmat aikuiset eivät kuule yli 16 kHz:n ääntä. Korva itsessään ei reagoi alle 20 Hz:n taajuuksiin, mutta ne voidaan aistia tuntoaistin kautta .

Aistittujen äänien valikoima on valtava. Mutta korvan tärykalvo on herkkä vain paineen muutoksille . Äänenpainetaso mitataan yleensä desibeleinä (dB) . Kuultavuuden alarajaksi määritellään 0 dB (20 mikropascalia), ja kuuluvuuden ylärajan määritelmä viittaa enemmänkin epämukavuuden kynnykseen ja sitten kuulon heikkenemiseen , aivotärähdykseen jne. Tämä raja riippuu siitä, kuinka kauan kuuntelemme ääni. Korva sietää lyhytaikaista jopa 120 dB:n äänenvoimakkuuden nousua ilman seurauksia, mutta pitkäaikainen altistuminen yli 80 dB:n äänille voi aiheuttaa kuulon heikkenemistä. [yksi]

Tarkemmat tutkimukset kuulon alarajasta ovat osoittaneet, että vähimmäiskynnys, jolla ääni pysyy kuultavana, riippuu taajuudesta. Tämän riippuvuuden kuvaajaa kutsutaan absoluuttiseksi kuulokynnykseksi . Keskimäärin sen herkkyysalue on 1 kHz - 5 kHz, vaikka herkkyys laskee iän myötä yli 2 kHz:n alueella.

Absoluuttisen kuulokynnyksen käyrä on erikoistapaus yleisemmistä - saman voimakkuuden käyrät, isofonit : äänenpainearvot eri taajuuksilla , joilla ihminen kokee äänet yhtä voimakkaiksi. Käyrät saivat ensin H. Fletcher ja W. A. ​​Munson , ja ne julkaistiin vuonna 1933 Loudnessissa , sen määritelmä, mittaus ja laskeminen [2 ] . Tarkempia mittauksia tekivät myöhemmin DW Robinson ja RS Dadson [3 ] . Tuloksena saadut käyrät eroavat merkittävästi, mutta tämä ei ole virhe, vaan erilaiset mittausolosuhteet. Fletcher ja Munson käyttivät kuulokkeita ääniaaltolähteenä , kun taas Robinson ja Dutson käyttivät eteen päin olevaa kaiutinta kaiuttomassa huoneessa.

Robinsonin ja Dutsonin mittaukset muodostivat perustan ISO 226 :lle vuonna 1986. Vuonna 2003 ISO 226 päivitettiin vastaamaan 12 uuden kansainvälisen tutkimuksen mittaustietoja.

On myös tapa havaita ääni ilman tärykalvon osallistumista - ns. mikroaaltoäänivaikutus , kun pulssi- ​​tai moduloitu säteily mikroaaltoalueella vaikuttaa simpukan ympärillä oleviin kudoksiin ja pakottaa ihmisen havaitsemaan erilaisia ​​ääniä. [neljä]

Peiteefekti

Tietyissä tapauksissa yksi ääni voidaan piilottaa toisella äänellä. Esimerkiksi junaraiteiden vieressä puhuminen voi olla täysin mahdotonta, jos juna kulkee ohi. Tätä vaikutusta kutsutaan peittämiseksi. Heikon äänen sanotaan olevan peitetty, jos se muuttuu erottamattomaksi kovemman äänen läsnäollessa.

Naamiotyyppejä on useita:

Samanaikainen naamiointi

Mitkä tahansa kaksi ääntä, kun niitä kuunnellaan samanaikaisesti, vaikuttavat niiden välisen suhteellisen voimakkuuden havaitsemiseen. Voimakkaampi ääni heikentää heikomman äänen havaitsemista, jopa sen kuuluvuuden katoamiseen. Mitä lähempänä peitetyn äänen taajuus on peittävän äänen taajuutta, sitä enemmän se piiloutuu. Peittovaikutelma ei ole sama, kun peitetyn äänen taajuutta siirretään pienemmälle tai korkeammalle peitetyn äänen suhteen.

Sävelen vierekkäisten taajuuksien vaikutuksen rajojen matemaattiseen kuvaamiseen kirjallisuudessa [5] käytetään hajautusfunktion käsitettä , joka asettaa peittokynnyksen [6] :

missä on kahden kriittisen alueen välinen etäisyys Barkovin asteikolla .

Hajautusfunktion perusteella voidaan laskea kriittisen alueen i peittäminen kriittisellä alueella j [7] [8] :

missä on signaalin teho i:nnellä kriittisellä alueella.

Peittoasteen määrittämiseksi tilanteessa, jossa peittoääniä on useita, käytetään globaalin peittokynnyksen käsitettä

missä on signaalitason ja peittokynnyksen välinen offset [9] , on ääniindeksi, joka osoittaa äänisignaalin jaksollisuusasteen (kohinalaisille signaaleille [10] ), on peittoindeksi [11] ja on taajuus kilohertseinä. Peiteindeksi korvataan usein 5,5 dB:n vakiolla [7] [8] .

Samanaikaista maskausdataa käytetään esimerkiksi pakattaessa äänitiedostoja kvantisointivaiheessa [12] .

Matalataajuiset äänet peittävät korkeat taajuudet. On tärkeää huomata, että korkeataajuiset äänet eivät voi peittää matalia ääniä.

Ajallinen naamio

Tämä ilmiö on samanlainen kuin taajuuden peittäminen, mutta tässä on maskaus ajoissa. Kun peittoääni lopetetaan, peitetty ääni ei kuulu vielä jonkin aikaa. Maskausaika riippuu signaalin taajuudesta ja amplitudista ja voi olla jopa 100 ms. Normaaleissa olosuhteissa tilapäisen peiton vaikutus kestää paljon vähemmän.

Siinä tapauksessa, että maskaussävy ilmestyy myöhemmin kuin peitetty sävy, efektiä kutsutaan jälkinaamioksi. Kun maskaussävy ilmestyy ennen maskattua (ja tämä on myös mahdollista), vaikutusta kutsutaan esimaskingiksi.

Ärsykkeen jälkeinen väsymys

Usein ihmisen kuuloherkkyys heikkenee jyrkästi altistumisen jälkeen voimakkaille koville äänille. Normaalien kynnysarvojen palauttaminen voi kestää jopa 16 tuntia. Tätä prosessia kutsutaan "väliaikaiseksi kynnyksen muutokseksi" tai "ärsykkeen jälkeiseksi väsymykseksi". Kynnyksen muutos alkaa näkyä yli 75 dB:n äänenpainetasoilla ja kasvaa vastaavasti signaalitason noustessa. Lisäksi signaalin suurtaajuisilla komponenteilla on suurin vaikutus herkkyyskynnyksen siirtymiseen.

Haamut

Katso artikkeli Puuttuva perusta

Joskus ihminen voi kuulla ääniä matalataajuisella alueella, vaikka todellisuudessa tällaista taajuutta ei ollut. Tämä johtuu siitä, että simpukan basilaarisen kalvon värähtelyt eivät ole lineaarisia , ja siinä voi esiintyä värähtelyjä, joiden taajuuden ero on kahden korkeamman taajuuden välillä.

Tätä tehostetta käytetään joissakin kaupallisissa audiojärjestelmissä laajentamaan matalien taajuuksien vastetta, kun tällaisia ​​taajuuksia ei voida toistaa riittävästi suoraan, kuten kuulokkeissa, matkapuhelimissa, edullisissa kaiuttimissa (kaiuttimissa) jne.

Psykoakustiikka ohjelmistoissa

Psykoakustiset kuulomallit mahdollistavat korkealaatuisen signaalin pakkaamisen tiedon menetyksellä (kun palautettu signaali ei vastaa alkuperäistä), koska niiden avulla voit kuvata tarkasti, mikä voidaan turvallisesti poistaa alkuperäisestä signaalista - eli ilman äänenlaadun merkittävä heikkeneminen. Ensi silmäyksellä saattaa tuntua, että tämä ei todennäköisesti tarjoa voimakasta signaalin pakkausta, mutta psykoakustisia malleja käyttävät ohjelmat voivat vähentää musiikkitiedostojen äänenvoimakkuutta 10-12 kertaa.[ epävarmuus ] , eikä laatuero ole kovin merkittävä.

Tämäntyyppiset pakkausmuodot sisältävät kaikki nykyaikaiset häviölliset äänenpakkausmuodot :

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Muutokset voimakkaasta teollisuusmelusta - Kuuloelimen ammattitaudit, jotka liittyvät altistumiseen voimakkaalle teollisuusmelulle - Lääketieteellinen työ ... . Haettu 4. helmikuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 11. helmikuuta 2013.
  2. ↑ Fletcher H., Munson W. A. ​​Loudness, sen määritelmä, mittaus ja laskeminen // J. Acoust. Soc Am.5, 82-108 (1933)
  3. ↑ Robinson DW, Dadson RS Puhtaiden äänien yhtäläisyyssuhteiden uudelleenmääritys // Br. J. Appl. Phys. 7, 166-181, 1956)
  4. ↑ Tigranyan R. E., Shorokhov V. V. Mikroaaltojen kuulovaikutuksen fyysiset perusteet / Toimitusjohtaja - fysiikan ja matemaattisten tieteiden tohtori prof. L. P. Kayushin. - Pushchino: Neuvostoliiton tiedeakatemian Pushchinon tieteellisen keskuksen ONTI, 1990. - 131 s. - 370 kappaletta.
  5. ↑ Zölzer U. Digitaalinen äänisignaalin käsittely. - New York: Wiley, 2008. - T. 9. - C. 280-284
  6. ↑ MR Schroeder, BS Atal, JL Hall: Digitaalisten puhekooderien optimointi käyttämällä ihmiskorvan maskausominaisuuksia, J. Acoust. soc. Am., Voi. 66, nro. 6, s. 1647-1652, joulukuu 1979.
  7. ↑ 1 2 J. D. Johnston: Transform Coding of Audio Signals Using Perceptual Noise Criteria, IEEE J. Selected Areas in Communications, Voi. 6, ei. 2, s. 314–323, helmikuu 1988.
  8. ↑ 1 2 J. D. Johnston: Havaintoentropian arviointi kohinan peittokriteereillä, Proc. ICASSP-88, s. 2524-2527, 1988.
  9. ↑ RP Hellman: Asymmetry in Masking between Noise and Tone, Perception and Psychophys., Voi. 11, s. 241–246, 1972.
  10. ↑ "Psychoacoustics Models" (TU Ilmenau) Arkistoitu 11. joulukuuta 2019 Wayback Machinessa - dia 7.
  11. ↑ R. Kapust: A Human Ear Related Objective Measurement Technique Yields Audible Error and Error Margin, Proc. 11th Int. AES Conference - Test & Measurement, Portland, pp. 191–202, 1992.
  12. ↑ "Äänikoodauksen kvantisointi ja koodausmenetelmät" (TU Ilmenau) . Haettu 12. joulukuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 12. joulukuuta 2019.

Kirjallisuus

Linkit

 Psykologia
Osat
Sovellettu
Ohjeet