Ihminen havaitsijana ME-C2600

Transkriptio

1 Ihminen havaitsijana ME-C2600

2

3

4 Luento 7. Kuuloaisti 1. Antti Kuusinen Antti Kuusinen

5 1. Luento Yleisiä asioita äänestä Kuulon toiminnan perusteet 2. Luento Kriittinen kaista Peitto-ilmiöitä Äänen korkeuden havaitseminen Äänen voimakkuuden havaitseminen Äänen lokalisaatio

6 Harjoitustehtävä: Valitse yksi alla olevista kuuloaistiin liittyvistä aiheista ja lue aiheeseen liittyvä julkaisu. Etsi lisäksi jokin muu (yksi tai useampi) tutkimusartikkeli aiheeseen liittyen. Kirjoita lukemasi perusteella johdanto (n sanaa), jossa kerrot omin sanoin (1) miksi sinun mielestäsi aihetta on tärkeä tutkia ja ymmärtää, (2) mitä siitä yleisesti tiedetään ja (3) mitä uutta informaatiota lukemasi tuore tutkimus sisältää. Tämän lisäksi: (4) ideoi koeasetelma eli kuvaile mitä ja miten tutkisit jotain valitsemaasi aiheeseen liittyvää ilmiötä käyttäen kurssin alkupuolella esiteltyjä psykofyysisiä koemenetelmiä. Muista lähdeviittaukset. Voit kirjoittaa tekstin suomeksi, ruotsiksi tai englanniksi. Arvioi ja ilmoita myös suunnilleen kauanko aikaa tehtävän tekemiseen käytit. Tämä ei vaikuta arvoisteluun, vaan tietoja kerätään opetuksen kehittämistä varten. Aiheet: - Äänen voimakkuus: Lue: M. Florentine, Chapter 1: Loudness, Springer Handbook of Auditory Research, Äänen korkeus: Lue: A.J. Oxenham, Pitch Perception (Mini-Review), The Journal of Neuroscience, 32(39), , Äänen paikka: Lue: W.M.Hartmann, How We Localize Sound, Physics Today, 52(11), Äänen sävy: Lue: S. McAdams and B. L. Giordano: Chapter 7: The Perception of Musical Timbre, The Oxford Handbook of Music Psychology, Arvostelu: 0-6. Pisteet lasketaan mukaan tenttipisteisiin. Tehtävän suorittaminen kuuluu kurssisuoritukseen. Viim. palautuspäivä: (kurssin 2. tentti) Huomioi, että mikäli osallistut 1. tenttiin ( ), voit saada kurssisuorituksen vasta palautettuasi tehtävän.

7 Antti Kuusinen

8 Johdanto Kuuloaisti: Hälytysjärjestelmä Oudot äänet ympäristössä, sireenit etc. Kommunikaatioväline Puhe, vauvan itku, nauru Tunteiden kommunikointi Esim. Musiikki Antaa jatkuvan yhteyden ympäristöön. Vrt. muut aistit: näkö, tunto, haju, maku, tasapaino Yhteys muihin (kognitiivisiin) prosesseihin Limbinen järjestelmä, oppiminen, spatiaalinenmotorinen etc. Antti Kuusinen

9 Akustiikasta tieteenä Akustiikka tutkii värähtelyä ja värähteleviä systeemejä Hyvin laaja tutkimuskenttä Paljon muutakin kuin ääni! Kuulon psykofysiikka = psykoakustiikka Äänen havaitsemisen/kokonaisaistimuksen tutkiminen Subjektiivisen kokemuksen suhde ärsykkeen akustisiin (fysikaalisiin) ominaisuuksiin Antti Kuusinen

10 Antti Kuusinen

11 Havaittava ääni on paineenvaihtelua ilmassa; pitkittäinen aaltoliike! Äänen nopeus c = ~345 m/s!

12 Äänen ominaisuuksia: Äänekkyys [soni, foni] --> db (SPL) Äänenkorkeus [mel, C-B] --> Hz Kesto [s] Sijainti; tulosuunta ja etäisyys[kulma, m] Väri; sävy (timbre) Harmonisuus; konsonanssi, dissonanssi Dynamiikka; äänekkyyden vaihteluväli e.g. ppff [db] Karheus [asper] Häiritsevyys [noy] Terävyys [acum]

13 Äänten luokittelua (Sini)äänes vs. kompleksinen ääni Samankaltaisuus, erilaisuus Jatkuva äänet vs. lyhyet (transientit) äänet Harmooniset vs kohinaiset Toistuvat (rytmilliset) Äänilähteen mukaan Luonto vs. koneet Miellyttävyys, häiritsevyys Tunneluokitus Musiikissa Tavallisuus ja tuttuus Musiikissa esim: Genre Mood Etc. Music Information Retrieval (MIR) Tutkii esim. Automaattista (algoritmista) musiikin tunnistusta/luokittelua akustisista signaalin ominaisuuksista (parametrisoitu)

14 Kuulon ominaisuuksia Laaja dynaaminen alue: Hyvin hiljaisen ja hyvin äänekkään ( kovan ) äänen äänenpainevaihtelujen amplitudien suhde 1: Referenssi äänenpaine 20 micropascalia. Vastaa n. hyttysen ininää metrin päässä korvasta Pienin kuultava äänenpaineen vaihtelun aiheuttama värähtely tärykalvolla on noin. Yhden vetyatomin suuruusluokkaa. Kuulon laajan dynamiikan vuoksi on käytännöllistä käyttää logaritmi-asteikkoa eri äänenpainetasojen kuvaamiseen eli desibeli-asteikkoa.

15 Miljoona kertainen!! Kuulovaurio riski riippuen altistuksesta! eli! 1000 kertainen! rms paineen vaihtelu vrt. referenssi tasoon! Äänipainetaso:! SPL [db]! = 10*log 10 (I/I 0 )! = 20*log 10 (P/P 0 )!! I = kp^2!! Huom.! P = 0.707*max(P)! (tehosuure)!!

16 Kuulon ominaisuuksia Kuulon taajuusalue: N. 20 Hz 16 khz (jopa 20 khz) Herkin keski( puhe )-taajuuksilla (1-4kHz) Matala herkkyys pienille taajuuksille (<100Hz) ja suurille taajuuksille Vaihtelee yksilöiden välillä Kuulovauriot Ikä (herkkyys korkeille taajuuksille (>12 khz) alenee iän myötä) Altistus Synnynnäiset/geneettiset kuulovammat Erilaisille kuulovaurioille (välikorva, sisäkorva) eri diagnosointi ja hoitomenetelmät.

17 Siniäänekselle:! 1 soni Soni ~ 2 (L-40)/10

18 Kuulon ominaisuuksia Kuulo on myös selektiivinen Tarkkaavaisuus (vrt. visuaalinen) Soolosoitin sinfoniaorkesterin seasta Mutta on huomattu, että esim. nauhoituksista on hankala kuulla soitinten määrää Vrt. Tyypillinen bändi 5-7 soitinta/streamia(rummut, basso, kitara, keyboard, vokaalit + torvet ja tausta) Harjoittelu vaikuttaa (kapellimestarit erit. hyviä) Ehdollistumisen/tuttuuden vaikutus Esim. Oma nimi. Äidin ääni. Huoneen/asunnon akustiikka. Epätavallinen/odottamaton ääni saa huomion

19 Demo.

20 Korvan fysiologia Auditory Transduction:

21 Ulko- ja välikorva Pituus n. 2,5 cm, läpimitta 7 mm! Vahvistaa 3-4 khz:n ääniä useita! desibelejä. Mitä tapahtuu jos! korvakäytävä tukitaan! esim. in-ear kuulokkeella?! Korvalehti kerää ääntä ja auttaa äänen lokalisaatiossa, erityisesti elevaatiotasossa.!! Relearning sound localization with new ears, Hofman, Riswick, Opsta, Nature neuroscience 1998!!

22

23 Tärykalvo Tärykalvon Pinta-ala 66 mm 2, rakenne kuin sateenvarjo.! Pienempi tärykalvo tarkempi korkeilla taajuuksilla.! 20dB ääni aiheuttaa värähtelyjä, jotka! ovat kooltaan 1/ cm! (yhden vetymolekyylin läpimitta)! Värähtely liikuttaa kuuloluita!

24 Välikorva: Kuuloluut Tärykalvo Kuuloluut ovat ihmisen pienimmät luut Vasara on kiinnittynyt tärykalvoon ja alasimeen Alasin on kiinnittynyt vasaraan ja jalustimeen Jalustin on kiinnittinyt alasimeen ja eteisikkunan kalvoon, jota se liikuttaa. Aiheuttaa paineenvaihteluita simpukan sisällä olevassa nesteessä. Funktio: vahvistaa ilmanpaineen vaihtelut simpukan nestevaihteluiksi (alle 30dB eivät kuuluisi) Eteisikkunan kalvo on 20x pienempi kuin tärykalvo, joten yhtäläinen voima saa aikaan suuremmaan paineenvaihtelun. Toimii siis vahvistimena Suojamekanismi voimakkaita ääniä vastaan: Ns. Stapedius refleksi tai akustinen refleksi (acoustic reflex) Tärykalvon jännittäjälihas ja jalustinlihas jännittyvät jos tulee voimakkaita ääniä. Estävät kovien äänien pääsyn eteenpäin ja näin suojaavat kuuloreseptoreita. Hiljennysvoima 20-30dB. Toimii lähinnä matalilla äänillä. Hidas reagoimaan. Toinen funktio: henkilön omien äänien vaimentaminen.

25 Sisäkorva Tasapainoaistimus Kuuleminen

26 Halkileikkaus simpukasta Eteisikkuna Pyöreä ikkuna Käytävät menevät rinnakkain simpukan päähän, Missä eteiskäytävä ja kuulokäytävä ovat yhteydessä pienen reiän välityksellä.

27 Halkileikkaus simpukasta

28 Basilaarikalvo ja aistinsolut ovat tonotooppisesti organisoituneita Alustava taajuusanalyysi tapahtuu basilaarikalvolla

29 Liike basilaarikalvolla

30 Cortin elin eteiskäytävä keskikäytävä katekalvo Sisemmät ja ulommat karvasolut tyvikalvo kuulohermo kuulokäytävä By Oarih at en.wikipedia (Transfered from en.wikipedia) [GFDL ( or CC-BY-SA-3.0 ( from Wikimedia Commons

31 Figure 2 Cellular structure of the sound-detecting organ of Corti.! a Transverse section through a middle turn of the cochlea, showing the organ of Corti, an assembly of intricately shaped supporting cells and inner and outer hair cells supported by a flexible basilar membrane. The organ of Corti is approx150 mum wide. b Upward displacement of the basilar membrane stimulates the hair cells by bending their stereociliary bundles against the acellular tectorial membrane. Because of the point about which the basilar membrane hinges, the inner hair cells must be stimulated mainly by motion of the tectorial membrane. Signals from each inner hair cell are relayed to the brain via 10 to 20 afferent fibres of the VIIIth cranial nerve. Outer hair cells have both sensory and motor capabilities and possess electromotility that underlies the cochlear amplifier. They have a sparse afferent innervation (not shown) and are contacted mainly by efferent nerves, which regulate the electromotility and influence cochlear sensitivity.! Fettiplace R and Hackney CM (2006) The sensory and motor roles of auditory hair cells Nat. Rev. Neuro. 7: doi: /nrn1828

32 Cortin elin Karvasolujen aktiviteetti siirtyy kuulohermon soluihin! 95% sisemmistä karvasoluista! 5% ulommista karvasoluista! Ulompien karvasolujen funktio:! karvoissa on motoriikkaa: kun katekalvo aktivoi niitä, alkavat ne liikuttamaan! katekalvoa vastaavasti. Vahvistavat sen liikettä. Liike ei synny lihaksilla vaan! molekulaarisella tasolla.!! Sisemmät karvasolut välittävät aistitietoa!

33 Cortin elin Karvasoluja (hair cell) on kahta tyyppiä:! sisemmät (4500 kpl): yksi rivi,! ulommat karvasolut (15500 kpl): 3-5 riv! Nesteen aaltoilu simpukassa aiheuttaa katekalvon (tectorial membr.) ja tyvikalvon (basillar membr.) liikettä! Värekarvat (cincilla) karvasolun päässä liikkuvat positiivisesti varautuneessa nesteessä (+80mV) katekalvoa vasten tyvikalvon mukana, syntyy sähköistä aktiviteettia (depolarisaatio) karvasolussa, jonka seurauksena välittäjäainetta vapautuu synapsirakoon karvasolun ja kuulohermosolun välille! Välittäjäaine aktivoi kuulohermosolua! Laukaisee hermoimpulsseja (action potential, ns. Spike)! Hermoimpulsseja syntyy vain kun tyvikalvo liikkuu ylöspäin! - liike alaspäin inhiboi karvasolun toimintaa (hyperpolarisaatio)!

34

35

36 Ulommat karvasolut toimivat aktiivisina vahvistimina Vahvistaa hiljaisia ääniä suhteessa voimakkaisiin ääniin Kuuloaisti on monessa suhteessa erittäin epälineaarinen

37 Aistinsolujen virityskäyrät / herkkyyskäyrät Aistinsolut ovat virittyneet omille taajuuksilleen, jolla ne reagoivat herkimmin aiheuttaen hermoimpulsseja Äänenkorkeuden ns. paikkateoria!

38 Solua Vastaava virityskäyrä Mittaus solusta Kuusi aistinsolua. Jokaisesta aistinsolusta on mitattu eri taajuuksisilla ja voimakkuuksisilla siniääneksillä kynnystaso, jolla ne alkaa tuottamaan hermoimpulsseja. (Psychoacoustical tuning curves, Vogten, 1994)

39 Kriittiset kaistat (Critical bandwidths) Klapuri & Virtanen kalvo 15

40 Kommunikaatioakustiikka prujusta:

41 Matka kuuloaivokuorelle

42

43 Kuuloaivokuori (auditory cortex) Rakenne: Keskus: Tonotopia, herkkä eri taajuuksille? Reunat: Aktivoituu kompleksisten äänen ominaisuuksien mukaan? Transientit? Äänen harmoninen rakenne? Luonnolliset äänet? Neuroverkko! Aktiivinen tutkimusala Uusia tutkimustuloksia tulee kokoajan

44 Väliyhteenveto Ulkokorva (korvanlehti, korvakäytävä, tärykalvo): - äänen keräys ja vahvistaminen - Yksilöllisten lokalisaatiovihjeiden muodostus Välikorva (tärykalvo ja kuuloluut): - Äänen vahvistaminen - Impedanssisovitus ilman ja sisäkorvan nesteen välillä - Stapedius-refleksi; (hidas) mekaaninen suojamekanismi, joka vaimentaa voimakkaita ääniä, sekä omaa ääntä Sisäkorva (simpukka, basilaarikalvo, Cortin elin, aistinsolut jne.): - Äänen mekaaninen ja neuroninen suodatus ja analyysi - Paineenvaihtelujen muuntaminen neuroimpulsseiksi kuulohermoon - Dynamiikan compressointi - Tonotopia

45

46

47 Luento 8. Kuuloaisti 2. Antti Kuusinen Antti Kuusinen

48 Tänään: Kertausta Kriittinen kaista Peitto-ilmiöitä Äänen korkeuden havaitseminen Äänen voimakkuuden havaitseminen Äänen lokalisaatio

49 Väliyhteenveto Ulkokorva (korvanlehti, korvakäytävä, tärykalvo): - äänen keräys ja vahvistaminen - Yksilöllisten lokalisaatiovihjeiden muodostus Välikorva (tärykalvo ja kuuloluut): - Äänen vahvistaminen - Impedanssisovitus ilman ja sisäkorvan nesteen välillä - Stapedius-refleksi; (hidas) mekaaninen suojamekanismi, joka vaimentaa voimakkaita ääniä, sekä omaa ääntä Sisäkorva (simpukka, basilaarikalvo, Cortin elin, aistinsolut jne.): - Äänen mekaaninen ja neuroninen suodatus ja analyysi - Paineenvaihtelujen muuntaminen neuroimpulsseiksi kuulohermoon - Dynamiikan compressointi - Tonotopia Auditory Transduction:

50 Kriittinen kaista Havainnon kynnystaso signaali kohina taajuus Sama kynnystaso: taajuus taajuus Ääneksen havaitsemisen kynnystaso kasvaa kun kohinan taajuuskaistan leveyttä kasvatetaan, kunnes tietyn leveyden eli ns. kriittisen kaistan leveyden jälkeen kynnystaso pysyy samana eli on riippumaton kohinan taajuuskaistan leveydestä. taajuus

51 Kriittinen kaista: Equivalent rectangular band (ERB) Auditiivinen suodin, eng. auditory filter taajuus ERB Äänienergia auditiivisen suotimen ja sitä vastaavan ERB kaistan sisällä ovat samat. ERB kaistoja käytetään kuvaamaan auditiivisten suotimien taajuusselektiivisyyttä

52 Kriittinen kaista Kun taustakohinan taajuuskaistaa kasvatetaan niin, auditiivisen suotimen läpi menevä äänienergia kasvaa tiettyyn pisteeseen asti, jonka jälkeen se pysyy samana vaikka taajuuskaista vielä kasvaisi. taajuus Sama kynnystaso: taajuus taajuus Ääneksen havaitsemisen kynnystaso kasvaa kun kohinan taajuuskaistan leveyttä kasvatetaan, kunnes tietyn leveyden eli ns. kriittisen kaistan leveyden jälkeen kynnystaso pysyy samana eli on riippumaton kohinan taajuuskaistan leveydestä. taajuus

53 Auditiiviset suotimet: Auditiiviset kaistanpäästö suotimet menevät limittäin; kuuloaistin voidaan ajatella toimivan tällaisen suodinpankin avulla, jonka läpi ääni koodataan hermoimpulsseiksi. taajuus

54 Klapuri & Virtanen kalvo 15

55 Peittoilmiöitä; auditiivinen maskaus Eli ilmiöitä joissa jokin ääni peittää jonkin toisen äänen jonka me muuten kuulisimme. Taajuustason peitto Aikatason peitto

56 Peittoilmiöitä (Auditory masking) Taajuuspeitto: Samanaikaisten äänien peittyminen (frequency masking, simultaneous masking) Peitto taajuustasossa Riippuen äänten taajuusrakenteesta, voimakkaampi ääni peittää alle heikomman äänen Erityisesti jos äänet ovat samalla kriittisellä kaistalla Kun maskaajan voimakkuus kasvaa, niin myös peitto leviää taajuudessa

57 Laskelmat tehdään jokaiselle taajuuskomponentille, tulokset yhdistetään, jonka mukaan määrätään mitkä taajuudet koodataan ja mitkä voidaan heittää pois

58 Peittoilmiöitä Peräkkäisten äänten peittyminen Aikasempi ääni peittää alleen perässä tulevan äänen, riippuen äänten välisestä aikaerosta (jälki-peitto), ms Myöhempi ääni peittää aikasemman äänen, ms

59

60 Peittoilmiöitä Maskausta voi helpottaa (eng. release from masking): Manipuloimalla maskaajan ja maskattavan Taajuusrakenteita Aikarakenteita, ns. Verhokäyrää Amplitudimodulaatio Voimakkuuksia Suuntaa/sijaintia

61 Äänenkorkeus (engl. Pitch) Koettu (jaksollisen) äänen ominaisuus: Matala Korkea Eri asia kuin taajuus, mutta vastaa ~ perustaajuutta Selkeä äänenkorkeus havaitaan äänille, joiden perustaajuus on välillä 30 Hz 5000 Hz. (pianon koskettimet Hz) Eri sävyiset/väriset (timbre) äänet voidaan havaita saman korkeuksisina Tieteessä käytetään joskus [mel]-asteikkoa. Akustisissa mittauksissa oktaavikaistoja (1/1, ½, 1/3). Musiikissa muita: kromaattinen, duuri, molli, pentatonic, blues etc. Kompleksinen ääni (Complex tone) Sisältää monia eri (sini)ääneksiä Harmoninen ääni sisältää perustaajuuden lisäksi perustaajuuden kerrannaisia, eli ns. harmonisia yläsäveliä. Suurin osa, ellei kaikki intrumentit tuottavat harmonisia ääniä Äänen sävy riippuu harmonisien yläsävelten suhteista ja taajuusrakenteesta, sekä äänen käyttäytymisestä ajassa

62 Äänen korkeus (pitch) Ääniaalto voidaan ymmärtää koostuvan joukosta siniaaltoja 1, ,5 0-0, ,5 0-0, ,5 0-0, ,5 Perustaajuus Äänen korkeus 440 Hz 880 Hz Ylä-äänekset

63 Puuttuvan perustaajuuden ilmiö Kuuloaisti täydentää puuttuvia ääneksiä

64 Sointiväri (timbre) Vaikka kahden äänen korkeus olisi sama, voivat ne kuulostaa erilaisilta, koska ääniin sisältyvät siniaaltokomponentit (ylääänekset) ovat erilaisia = äänen sointiväri Myös verhokäyrä (envelope)(esim. Attack,Decay,Sustain,Release) vaikuttaa sointiväriin amplitudi A D S R db db aika Ylä-äänekset Hz Hz Äänen korkeus

65

66 Äänen korkeuden havaitseminen Taajuuden koodaus: 1. Aikakoodaus: Hermosolujen aktiopotentiaalien taajuus koodaa taajuuden 2. Paikkakoodaus: Sijainti simpukassa koodaa taajuuden Ääniaalto Hermosignaali

67 Kaksi teoriaa äänenkorkeusaistimuksen synnystä: Eli miten äänenkorkeus on koodattu hermoimpulsseihin kuulohermossa? Paikkateoria (place-rate coding): Hermoimpulsseja syntyy basilaarikalvon tonotopian mukaisesti Ongelmia: Aktivaatiota yhdessä paikassa syntyy myös eri taajuuksisilla äänillä Tutkittu taajuusresoluutio parempi kuin paikkateorian mukainen Missing fundamental -ilmiö Vaiheteoria (temporal-rate coding): Hermoimpulsseja syntyy tietyssä äänen vaiheessa Phase-locking: Solut ns. lukittautuvat äänen vaiheeseen Ongelmia: Maksimi laukaisunopeus n. 500 Hz = 2 ms, kuuloalueen raja noin Hz Ratkaisu: Usea solu koodaa yhtä taajuutta SPL SPL SPL SPL ärsyke f1 Paikka koodaus solu 1 solu 2 f2 solu 1 ja solu 2 sijaitsevat eri paikassa basillaarikalvolla Aika koodaus ärsyke f1 solu 1 solu 2 solu 1 ja solu 2 lähettävät impulsseja ärsykkeen vaiheen mukaisesti Volley -periaate korkea taajuuksinen ärsyke solu 1 solu 2 solu 3 yhdessä

68 Lopputulos Kummallakin teorialla on ongelmansa: Paikkakoodaus: basilaarimembraani on yhtenäinen, joten tarkasti paikkaan rajautuvaa aktivaatiota ei välttämättä synny Aikakoodaus: aktiopotentiaalien maksimitiheys 1000 Hz -> kuinka voimme kuulla Hz äänen? Ratkaisu: Vaihe/aika-koodaus 100 Hz 4000 Hz Hz Paikkakoodaus

69 MEKANISMI ON KUITENKIN HIEMAN MONIMUTKAISEMPI: Plack: Sense of Hearing Ärsyke: perustaajuus 100 Hz + 35 ylääänestä Kriittiset kaistat Harmonisten äänesten erottuminen: Vain muutamat (alle 7) harmonista erottuu eri kaistoille Ylemmät harmoniset koodautuvat äänen verhokäyrän mukaan Äänenkorkeus havaitaan luultavimmin autokorrelaatio - tyyppisen mekanismin avulla

70 Yost: Pitch perception, Attention, perception, and psychophysics (2009)

71 Äänekkyys (loudness) Äänekkyys on äänen voimakkuuden mitta Mitta-asteikot: Äänekkyystaso: fonit (phon) Äänekkyys: sonit (sone) Riippuu: Intensiteetistä Taajuusrakenteesta Kestosta Käytännössä: (slow, fast), A (B,C,D,Z) painotettu SPL mittaus

72 Lyhyesti melusta Tavanomainen melumittaus: A/C-painotettu SPL mittaus Melualtistus: 8 h Keskiarvo raja-arvo: 87 db (A) Maksimi raja-arvo: 140 db (C) Ei mittaa äänien häiritsevyyttä Äänen laatu vaikuttaa suuresti kuinka häiritsevänä äänihavaitaan Esim: Tuulivoimala melu Matalataajuuksista, pulssimaista ääntä. Kauaskantoista, riippuen säästä Avokonttorissa Puhe Myös kuuntelijan mielentila, tarkkaavaisuus, keskittyminen vaikuttavat äänten häiritsevyyteen

73 Äänekkyys laajakaistaiselle ja kompleksiselle äänelle Kohinan kaistan kasvaessa yli kriittisen kaistan rajojen, äänekkyys alkaa kasvamaan Vrt. peittoilmiöön Freq Kokonaisäänekkyys riippuu äänen taajuusjakaumasta. On kehitetty erilaisia äänekkyys malleja (loudness models), jotka laskevat /estimoivat hetkellisen äänekkyyden.

74 Äänekkyys ajassa Ärsyke: 1kHz : 8.5 Bark (korkeus asteikko) Äänekkyys: 5 sonia Taajuuspeitto ~200 ms H. Fastl: Psychoacoustics of sound quality evaluation. Acta Acustica, vol.83, 1997

75 Äänen sijainnin havaitseminen Monoauraaliset (monaural) eli yhden korvan vihjeet Taajuusvasteen muutos kehon muotojen, hartioiden, pään, korvanlehden ja korvakäytävän takia Head-Related-Transfer-Function, HRTF Suuntariippuva suodin Tärkeitä vihjeitä mediaanitasossa eli vertikaalisessa sijainnin määrittäminsessä HRTF:t ovat yksilöllisiä Tavallisesti mitataan korvakäytävän suulta, tai tärykalvolta Aivot myös adaptoituvat eri HRTF:iin

76 Äänen sijainnin havaitseminen Binauraaliset eli kahden korvan vihjeet Korviin saapuvan äänen aika (vaihe)-ero (interaural time difference, ITD) muuttuu suhteessa tulosuuntaan Alle n.750 Hz (aallonpituus yli 45 cm) ääneksille Aiheutuu äänen diffraktiosta pään ympäri Äänen intensiteetin taso-ero (interaural level difference, ILD) korvien välillä korkeammille, yli n. 750 Hz ääneksille Vaihe-ero on korkeammille taajuuksille monitulkintainen Pää vaimentaa korkeampia taajuuksia varjo - puolella

77 Binauraalinen hermosolu d1!= d2 Vasen korva Oikea korva Binauraalinen hermosolu Jos hermosignaali tulee hermosoluun samanaikaisesti, on se tullut toiseen korvaan aikaisemmin

78 Äänen sijainnin havaitseminen Kompleksisen äänen sijainnin havaitseminen on kaikkien vihjeiden yhdistelmä Ympäristön akustiikka myös vaikuttaa, esim. kykyyn erottaa eri äänien sijainteja toisistaan Presedenssi-efekti ( Haas -efekti), eli ensimmäisen ääniaallon laki Ääni paikantuu siihen suuntaan, mistä ensimmäinen ääniaalto saapuu Kuuloaisti adaptoituu tilan akustiikkaan Franssen-efekti Illuusio sijainnista

79 Äänilähteiden etäisyyden havaitseminen Yleisesti: Etäisyys havainto on suhteellisen tarkka 0-5 metrin etäisyyksille ja progressiviisesti epätarkempi pidemmille etäisyyksille Alle n. 2 metrin etäisyydet useasti arvioidaan pidemmälle todellisesta etäisyydestä Yli n. 2 metrin etäisyydet aliarvioidaan Etäisyyshavainnon on todettu seuraavan funktiota: p = kr a Näköaisti kompensoi kuulohavainnon epätarkkuutta Äänekkyys on tärkein (suhteellinen) vihje. Kun on muitakin kuin arvioitava lähde läsnä Suoran äänen, ja kaiunnan välinen suhde (Direct-to- Reverberant- ratio, DRR) on myös tarkeä etäisyysvihje (tilassa) varsinkin jos ääni on outo, eikä vertailu ole mahdollista Taajuusvasteen muutos, erityisesti yli 15 m kulkeneille äänille Ilma vaimentaa korkeita taajuuksia enemmän kuin matalia.

80 Ryhmittymisilmiöitä (Auditory streaming and object formation) Hahmo-lait (Gestalt) pätevät yleisessä määrin Äänet voivat ryhmittyä yhdeksi havainto-objektiksi monen vihjeen perusteella ja yhteisvaikutuksesta: Äänen väri / sävy (timbre) (taajuusrakenne) Esim. Instrumentit Sijainti Samanaikaisuus Rytmi ja tempo peittovaikutukset Tarkkaavaisuudella on myös vaikutusta Ihminen pystyy käsittelemään samanaikaisesti noin 5 7 eri ääni objektia / streamia 5 hengen bändi: Rummut, basso, kitara, koskettimet, laulu

81 Ryhmittymisilmiöt: Läheisyys Demo 1 Demo 2 Erilliset äänet ryhmittyvät yhteen kun vaihtelua nopeutetaan.

82 Toiston vaikutus ryhmittymiseen 4.

83 Hyvä jatko Äänen koetaan jatkuvan kohinan alla. 9.

84 Lisämateriaalia

85 Binaural Dynamic Responsiveness (BDR): Binauraalinen dynaaminen (huone)vaste. Concert halls with strong lateral reflections enhance musical dynamics Jukka Pätynen 1, Sakari Tervo, Philip W. Robinson, and Tapio Lokki Department of Media Technology, School of Science, Aalto University, FI-02150, Espoo, Finland Edited by Dale Purves, Duke University, Durham, NC, and approved January 29, 2014 (received for review October 24, 2013) One of the most thrilling cultural experiences is to hear live symphonyorchestra music build up from a whispering passage to a monumental fortissimo. The impact of such a crescendo has been thought to depend only on the musicians skill, but here we show that interactions between the concert-hall acoustics and listeners hearing also play a major role in musical dynamics. These interactions contribute to the shoebox-type concert hall s established success, but little prior research has been devoted to dynamic expression in this three-part transmission chain as a complete system. More forceful orchestral playing disproportionately excites high frequency harmonics more than those near the note s fundamental. This effect results in not only more sound energy, but also a different tone color. The concert hall transmits this sound, and the room geometry defines from which directions acoustic reflections arrive at the listhis effect as the hall supporting both quiet and powerful dynamics: listening is enhanced immeasurably by the dynamic response of the concert hall (ref. 10, p. 509). Meyer has stated that the quality of forte is a sign of an acoustically good hall, whereas sound in quiet dynamics can be acceptable in otherwise poor halls as well (ref. 8, p. 199). Importantly, these remarks not only suggest a nonlinear effect but also connect responsiveness of the hall to dynamics and subjective preference. Dynamic expression in Classical and Romantic orchestra music originated in the 1750s from the Mannheim School, just as concert halls were developing as specialized rooms. Historically, concerts took place in spaces composers were familiar with, and they could tailor their compositions to the venue for the greatest musical effect. Many early music rooms were found spaces, and even when AND CES

86 BP-MTALO-VM-R2 BP-MTALO-BK-R5.wav

87 x 6 db 0 db 6 db

88