www.physicst day.org January 2014 A publication of the American Institute of Physics volume 67, number 1 Kuuloaistin ominaisuuksia Professori Tapio Lokki Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Tietotekniikan laitos The sound and the jury also: A decade of EarthScope The anguish of Ehrenfest Modeling crime hot spots
Luennon sisältö (15.3.2017) Lyhyt kertaus viime viikon luennosta Kriittinen kaista ERB-kaistat Peittoilmiö Taajuuspeitto Aikapeitto Äänen havaitseminen Äänen korkeus Äänen voimakkuus Lokalisaatio, eli äänen suunnan havaitseminen Tapio.Lokki@aalto.fi 15.3.17 2
Kuuloaisti Hälytysjärjestelmä Uhkaavat äänet, oudot äänet ympäristössä, sireenit, jne. Kaksi korvaa mahdollistavat äänen tulosuunnan havaitsemisen Kommunikaatio Puhe, vauvan itku, nauru Tunteiden kommunikointi - Esim. Musiikki Jatkuva avoin yhteys ympäristöön (myös nukkuessa) Vrt. näkö, tunto, haju, maku, tasapaino Selektiivisyys Voimme kohdistaa tarkkaavaisuutta Tapio.Lokki@aalto.fi 15.3.17 3
Korvan rakenne Ulkokorva (korvanlehti, korvakäytävä, tärykalvo): - Kerää ja vahvistaa ääntä - 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 kompressointi - Tonotopia (eri taajuudet eri kohdassa) 15.3.17 4
Subjektiivisia havaintoja ei voida mitata Subjektiivisesti havaitsemme 1. Äänekkyyttä, havainto siitä kuin äänekästä ääni on 2. Äänen korkeutta tai väriä, vain yksi äänenkorkeus + värittymä 3. Vaihtelua ajassa, esim. äänekkyyden vaihtelu Objektiivisesti voimme mitata esimerkiksi 1. Äänenpainetta, eli amplitudia tai tasoa (db) 2. Taajuutta, laajakaistaisesta signaalista pystymme spektrianalyysin avulla mittaamaan taajuussisällön 3. Ajassa tapahtuvia muutoksia, esim. moottoritien kohina tai paalutuskoneen pauke 15.3.17 5
Vakioäänekkyyskäyrästö (todettu siniääneksillä) 15.3.17 6
A-painotus melumittauksissa 15.3.17 7
A-painotus (myös muita on ehdotettu) 15.3.17 8
Kriittiset kaistat 15.3.17 9
ERB kaistan määritys (ERB = equivalent rectangular bandwidth) 15.3.17 10
ERB-kaistojen leveys Kaistojen suhteellinen leveys pienenee taajuuksien kasvaessa (pienillä taajuuksilla 1/3 oktaavi, suurilla taajuuksilla 1/6 oktaavi) 15.3.17 11
Peittoilmiö Osaäänekset peittävät toisiaan sekä ajassa että taajuudessa Johtuu basilaarikalvosta ja sen liikkeestä Kova ääni peittää hiljaisempia DEMO taajuuspeitosta 250 Hz, 1 khz ja 4 khz kapeakaistainen kohina sekä yksittäinen siniääni (eli yksi taajuus) 15.3.17 12
Puolisävelaskeleet Hertzeissä Semitones 2^(st/12) 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1000 Hz 2000 Hz 4000 Hz +1 or -11 1,05946 132,4 264,9 529,7 1059,5 2118,9 4237,9 +2 or -10 1,12246 140,3 280,6 561,2 1122,5 2244,9 4489,8 +3 or -9 1,18921 148,7 297,3 594,6 1189,2 2378,4 4756,8 +4 or -8 1,25992 157,5 315,0 630,0 1259,9 2519,8 5039,7 +5 or -7 1,33484 166,9 333,7 667,4 1334,8 2669,7 5339,4 +6 or -6 1,41421 176,8 353,6 707,1 1414,2 2828,4 5656,9 +7 or -5 1,49831 187,3 374,6 749,2 1498,3 2996,6 5993,2 +8 or -4 1,58740 198,4 396,9 793,7 1587,4 3174,8 6349,6 +9 or -3 1,68179 210,2 420,4 840,9 1681,8 3363,6 6727,2 +10 or -2 1,78179 222,7 445,4 890,9 1781,8 3563,6 7127,2 +11 or -1 1,88775 236,0 471,9 943,9 1887,7 3775,5 7551,0 +12 or 0 2 250,0 500,0 1000,0 2000,0 4000,0 8000,0
Kapeakaistaisen kohinan aiheuttama taajuuspeitto
Peittoilmiö johtuu basilaarikalvon liikkeestä
Äänenpainetason vaikutus
Ali- ja ylipäästökohinan vaikutus
1 khz sini + toinen taajuus Kuulon epälineaarisuus aiheuttaa outoja ilmiöitä
Harmonisen äänen aiheuttama peittoilmiö Luonnossa ei esiinnyt yksittäistä sinitaajuutta tai kapeakaistaista kohinaa
Luonnollinen harmoninen ääni (200 Hz + harmonisia monikertoja) Äänipainetaso [db] 0 10 20 30 40 Trumpetti, yksiviivainen "a" (perustaajuus 440 Hz) 50 60 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Taajuus [Hz]
Peitto aikatasossa Riippuu sekä peittävän kohinan/äänen kestosta että tasosta
Peittoilmiöt mitä pitää muistaa Voimakas ääni peittää hiljaisempia (masking) Sekä aika- että taajuuspeitto Sekä fysiologinen että neuraalinen mekanismi Monimutkainen asia Erilaisilla signaaleilla on erilaiset peittokäyrät (tasoriippuvuus) Äänilähteiden spatiaalinen erottelu voi vähentää peittoilmiöitä Tärkein sovellus: Äänen pakkaus, mp3 on tehokas juuri peittoilmiöiden takia
Yksinkertainen esimerkki pakkauksesta
Äänen havaitseminen: Äänenkorkeus (pitch) Äänenkorkeudella tarkoitetaan Subjektiivisesti koettua äänen ominaisuutta, jonka perusteella ääniaistimukset voidaan järjestää matalasta korkeaan Perustaajuus vs. Äänenkorkeus Perustaajuus on fysikaalinen suure Äänenkorkeus on aistimus Molempia mitataan yksiköillä Hertzi (Hz) Aistittu äänenkorkeus on usein sama kuin perustaajuus Selkeä äänenkorkeus havaitaan äänille, joiden perustaajuus on välillä 30 Hz 5000 Hz. (pianon koskettimet 27 4500 Hz)
Esim. äänen korkeudesta ja taajuuksista Trumpetti, yksiviivainen "a" (perustaajuus 440 Hz) Tuuba, pieni "a" (perustaajuus 220 Hz) 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 Amplitudi [normalisoitu] 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 Amplitudi [normalisoitu] 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.8 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Aika [s] 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Aika [s] 0 Trumpetti, yksiviivainen "a" (perustaajuus 440 Hz) 0 Tuuba, pieni "a" (perustaajuus 220 Hz) 10 10 Äänipainetaso [db] 20 30 40 a a e a c# e g a Äänipainetaso [db] 20 30 40 50 60 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Taajuus [Hz] 50 60 Tapio.Lokki@aalto.fi 15.3.17 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 25 Taajuus [Hz]
Äänen korkeuden havaitseminen Koettu (jaksollisen) äänen ominaisuus: matala korkea Eri asia kuin taajuus, mutta vastaa ~ perustaajuutta Eri sävyiset/väriset (timbre) äänet voidaan havaita saman korkeuksina Tieteessä käytetään joskus [mel]-asteikkoa. Akustisissa mittauksissa oktaavikaistoja (1/1, ½, 1/3). Musiikissa muita: kromaattinen, duuri, molli, pentatoninen, 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 instrumentit tuottavat harmonisia ääniä Kellot ja gongit poikkeuksia (yläsävelsarja ei harmoninen) Äänen sävy riippuu harmonisien yläsävelten suhteista ja taajuusrakenteesta, sekä äänen käyttäytymisestä ajassa
Eri soittimien äänialat
Kaksi teoriaa äänenkorkeusaistimuksen synnystä Paikkateoria (place-rate coding): Hermoimpulsseja syntyy basilaarikalvon tonotopian mukaisesti Ongelmia: Aktivaatiota yhdessä paikassa syntyy myös eri taajuisilla äänillä Tutkittu taajuusresoluutio parempi kuin paikkateorian mukainen Missing fundamental -ilmiö Vaiheteoria (temporal-rate coding): Hermoimpulsseja syntyy tietyssä äänen vaiheessa Phase-locking: Solut ns. lukkiutuvat äänen vaiheeseen Ongelmia: Maksimi laukaisunopeus n. 500 Hz = 2 ms, kuuloalueen raja noin. 20000 Hz Ratkaisu: Usea solu koodaa yhtä taajuutta
Totuus on näiden jonkinlainen yhdistelmä Ääni jaetaan taajuuskaistoihin (basilaarikalvolla) Kullakin kaistalla analysoidaan amplitudiverhokäyrän jaksollisuutta Tulokset eri kaistoilta yhdistetään aivoissa
DEMOJA Trumpetin ääni, jos perustaajuutta vaimennetaan Shepardin ääni (jatkuvasti laskeva / nouseva ääni) https://fi.wikipedia.org/wiki/shepardin_asteikko Tapio.Lokki@aalto.fi 15.3.17 30
Äänen havaitseminen: Äänekkyys (loudness) Äänekkyys on äänen voimakkuuden mitta Monimutkainen ilmiö, mutta kuitenkin johdonmukainen Mitta-asteikot: Äänekkyystaso: fonit (phon) Äänekkyys: sonit (sone) Riippuu: Intensiteetistä Taajuusrakenteesta Kestosta
Laajakaistaisen äänen äänekkyys Laajakaistainen ääni koetaan äänekkäämpänä kuin kapeakaistainen ääni Kuulo analysoi ääntä kriittisten kaistojen resoluutiolla Kukin kaista antaa oman lisänsä äänekkyyteen Kapeakaistaisen kohinan äänekkyys Äänipainetaso vakio (60dB) Äänekkyys kasvaa Kun leveys yli kriittisen kaistan
Kompleksisen äänen äänekkyys Äänekkyys lasketaan käyttämällä ns. äänekkyystiheyttä Osaäänekkyys jokaisella kriittisellä kaistalla Kokonaisäänekkyys summaamalla äänekkyystiheysarvo kaikilta kaistoilta Äänekkyys riippuu siitä kuinka lähellä taajuudet ovat: 1. Taajuudet samat: intensiteettien summautuminen 2. Kaistanleveys ylittää kriittisen kaistan: äänekkyyksien summautuminen 3. Taajuuserot suuria: summautuminen mutkistuu, koska kuulija voi keskittyä vain yhteen ääneen
Äänekkyys ja äänen kesto Sinipurske 2 khz taajuudella, äänenpainetaso 57 db
Suuntakuulo HRIR = head-related impulse response HRTF = head-related transfer function Tapio.Lokki@aalto.fi 15.3.17 35
Binauraalinen kuuleminen Ihmisellä on kaksi korvaa Korvien välisistä eroista kuulemme äänen suunnan: Korvien välinen aikaero (ITD), dominoiva alle ~700 Hz Korvien välinen amplitudiero (ILD), yli~2000 Hz 700-2000 Hz sekä ITD että ILD (mutta hieman epätarkkaa) Tapio.Lokki@aalto.fi 15.3.17 36
Jokainen korvanlehti on yksilöllinen Hartiat, pää ja korvanlehti muokkaavat korvaan sisään menevän äänen spektriä eri suunnista tuleville äänille Huoneakustiikka (kaiunta), pään liikkeet ja näköaisto vaikuttavat myös äänen tulosuunnan havaitsemiseen Tapio.Lokki@aalto.fi 15.3.17 37
Suuntakuulon tarkkuus (atsimuutti) Tapio.Lokki@aalto.fi 15.3.17 38
Suuntakuulon tarkkuus (elevaatio) Tapio.Lokki@aalto.fi 15.3.17 39
Kiitoksia kuuntelusta! www.physicst day.org January 2014 A publication of the American Institute of Physics volume 67, number 1 Tapio.Lokki@aalto.fi https://mediatech.aalto.fi/~ktlokki The sound and the jury also: A decade of EarthScope The anguish of Ehrenfest Modeling crime hot spots