audiotehnika tema 2

7/27/2019 Audiotehnika Tema 2

1/36

AUDIO SISTEMI - Tema 2 30

2. ULO SLUHA KAO AUDIO PRIJEMNIK

ulo sluha predstavlja senzorski deo ovekovog sistema za komunikacijuzvukom, zajedno sa vokalnim traktom kao kontrolisanim zvunim izvorom. Ono jeanatomski i fizioloki prilagoeno registrovanju zvunih pojava u vazduhu kao mediju. Udrugim sredinama, na primer u vodi, ulo sluha zbog akustike neprilagoenosti nasredinu menja svoje osobine, i ak gubi neke sposobnosti (na primer, nije mogue

odrediti pravac nailaska zvuka kada se glava nalazi pod vodom).U kontekstu tema kojima se bavi audiotehnike ulo sluha je krajnja taka audio

sistema. U fizikom smislu, izlazna veliina audio sistema je zvuni pritisak koji izvazduha deluje na ulo sluha, ali u informacionom smislu izlaz sistema je zvunasenzacija koja nastaje pod dejstvom spoljanje pobude. Zbog toga je u sutinskomsmislu izlaz audio sistema kompleksna svest o prisustvu zvunog nadraaja, to jestsaznanje da se uje neki zvuk.

U organizacionom smislu ulo sluha se moze podeliti na dva osnovna dela: nafiziki deo i na psiholoki deo. Fiziki deo ula sluha ini sve ono to se anatomski ifizioloki nalazi u njegovom sklopu. To je sloeni sistem koji se sastoji od dva uva sasenzorima u njima, centara u kori velikog mozga i nervnih puteva koji ih povezuju.Psiholoki deo ula sluha ini nematerijalna sfera u kojoj se pojavljuje reakcija na zvunupobudu, gde se kao krajnji rezultat u svesti sluaoca stvara zvuna slika. U takvoj podelimoe se rei da fiziki deo ula posreduje izmeu zvunog polja i svesti oveka.

Podela ula sluha na fiziki i psiholoki deo uinila je da se u delu akustike koji sebavi mehanizmima sluanja razviju dve relativno nezavisne oblasti. To su fiziolokaakustika, koja se bavi anatomijom i fiziologijom fizikog dela ula, i psiholoka akustika,koja se bavi percepcijom zvuka i formiranjem zvune slike. U audiotehnici poznavanjepsiholokog dela ula sluha je znaajno za razumevanje zahteva koji se postavljaju predaudio sistemima. Ovde nee blie prikazana anatomija i fiziologija uva, jer je to temakurseva iz akustike, ve e biti prikazane samo najznaajnije injenice vane za

razumevanje procesa percepcije koji se odvija na izlazu audio sistema.Psiholoki deo ula sluha i danas predstavlja samo delimino obraenu temu.Razlozi, naravno, lee u njihovoj slonosti, ali i u injenici da je nemogue spoljapristupiti svim pojedinanim procesima koji se deavaju u modanim centrima, a koji inematerijalno okruenje u kome nastaje svest o prisustvu zvukova. Zato ispitivanja uoblasti psiholokog dela ula sluha mogu biti samo indirektna. Na kraju ovoga poglavljabie pokazano da je zvuna slika dostupna samo kroz opise koje daje sluaoc, i da je toopisivanje predmet uenja i konvencija. U takvim okolnostima veliki deo onoga to iniproces sluanja ne moe se predstaviti nekim inenjerskim modelima.

U inenjerskoj praksi prisutna je spontana potreba da se zbivanja unutar ulasluha predstave nekim jednostavnim i lako razumljivim modelima. Poto je spektralna

analiza deo svakodnevnog inenjerskog iskustva, "intuitivno" zamiljanje ula sluha vodika jednostvnom modelu spektralnog analizatora. To dalje stvara posledicu da se sviprocesi u audio sistemima posmatraju samo kroz frekvencijsku karakteristiku prenosnihputeva, smatrajui da je to kljuno za ujni doivljaj. Naalost, ovakav model ula sluha


2/36


samo delimino i u ogranienim uslovima pobude odgovara sloenoj stvarnosti. Zaveinu realnih zvunih pobuda on ne prua objanjenja za fenomene koji se javljaju uprocesu percepcije zvune slike.

2.1 Opte osobine ula sluha kao prijemnika zvuka

Posmatrajui ulo sluha samo sa fizikog aspekta, moe se rei da ovek imaprijemnik zvuka prilagoen da radi u trodimenzionalnom zvunom polju. Kao takav, on seopisuje osetljivou u domenu intenziteta pobude i mogunosti rezolucije pravacanailaska zvune pobude u prostornom domenu. Osetljivost ula sluha kao njegovafizika osobina definisana je dijagramom oblasti ujnosti, koja je prikazana u pretodnompoglavlju na slici 1.7. Meutim, za razliku od mikrofona, u ulu sluha se pri dejstvukompleksnih zvukova odvijaju sloeni procesi koji ine da je njegova osetljivost sloen

fenomen, i on se ne moe opisati na jednostavan nain predstavljen jednim dijagramom.Rad ula sluha se odvija u trodimenzionalnom prostoru u kome se svakom

pojedinanom fizikom nadraaju moe dodeliti pravac nailaska zvunog talasa na glavusluaoca. Za definisanje prostornih dimenzija percepcije zvuka uvodi se koordinatnisistem glave kakav je prikazan na slici 2.1. Na slici su oznaeni svi relevantni pojmovi zaoznaavanje pozicije zvuih izvora u odnosu na sluaoca. Forma glave i njena pozicija uprostoru definiu horizontalnu, medijalnu i frontalnu ravan, kao i pravac napred - nazad.Prikazani koordinatni sistem je vezan za glavu i kree se zajedno sa njom. Svaki moguipravac nailaska zvunog talasa na glavu sluaoca definie se azimutom i elevacijom..

medijalna ravan

horizontalna ravan

frontalna ravan

f

d f=0o

d=0o

f=180o

d=0o

Slika 2.1 Prostornikoordinatni sistem glave ukome se odvija percepcija

zvuka.

Rad ula sluha kao prijemnika zvuka ine dva fiziki razdvojena senzorskasistema: levo i desno uvo. Oni su postavljeni sa suprotnih strana glave kao simetrinefizike prepreke koja ih razdvaja. Zahvaljujui tome, ulo sluha poseduje izvesnu

mogunost odre

ivanje prostornih atributa zvu

nih pojava u trodimenzionalnom prostorusa slike 2.1.


3/36


Osnovni preduslov za percepciju trodimenzionalnog prostora u realnom

vremenu je korienje dva ili vie prostorno razdvojenih prijemnika. Zbog toga su dvaprostorno razdvojena uva osnov za percepciju prostornih informacija u zvunoj slici, aliisti princip postoji i u okviru ula vida. Dva prostporno razdvojena oka koji omoguavajutakozvano "stereo" gledanje, odnosno percepciju dubine u slici koja se gleda.

Pokazano je da je uloga kotane provodnosti u procesu sluanja u vazduhuzanemarljiva. Naime, osetljivost ula sluha na kotanu pobudu je oko 50 dB nia odosetljvosti na vazdunu pobudu. Zbog toga su signali na bubnim opnama jedini izvorinformacija pri formiranju zvune slike.

Da bi se bar delimino objasnila sloenost koja postoji u procesu sluanjazvukova, na slici 2.2 prikazana je pojednostavljena blok ema ula sluha. Karakteristinoza ulo sluha je da postoje dva fiziki identina puta informacija koji polaze od levog idesnog uva. Na njih deluju dve manje ili vie nezavisne pobude: zvuni pritisci na levomuvupL(t) i na desnom uvupD(t). Razlike meu njima zavise od pravca nailaska zvuka, od

fizike prirode zvunog polja u okruenju i od spektralnog sadraja zvuka. U sluajunailaska ravanskog talasa u slobodnom polju iz pravca ose lica sluaoca (=0) signalipL(t) i pD(t) su potpuno korelisani. Njihova korelisanost je u svim drugim sluajevimamanja.

slunikanal neuronski puteviBO i SK BM S

slunikanal neuronski puteviBM S

centriu

mozgu

zvucni talas vibracije neuralni signali svest

putujucitalas

BO i SKL

D

Slika 2.2 - Blok ema koja uproeno prikazuje do danas poznate procese u ulu sluha. Oznake

na slici: BO - bubna opna, Sk - slune koice, BM - bazilarna membrana, S - senzori.

Na poetku svog puta kroz uvo zvuni signal je u obliku zvunog talasa, nastavljase kao vibracije bubne opne i slunih koica. Pod uticajem pobude du bazilarnemembrane se informacija javlja u vidu putujueg talasa, zatim kao neuralni elektrinisignali u receptorskim elijama i neuronima koji od unutranjeg uva vode nadraaje docentara u mozgu. Najzad, sve informacije se stiu u centrima u mozgu, gde se odinformacija iz dva izvora, levog i desnog uva, formira zvuna slika.

Sloeni fiziki procesi deavaju se i u domenu neuralnih signala. Na putu domodanih centara postoje sloeni meusobni uticaji. Tako postoje unakrsni uticajiinformacija iz levog i desnog uva, a karakteristina je i pojava uticaja unapred, to je na

emi ula sluha sa slike 2.2 prikazano strelicama. Neke karakteristike sluha posledica suovakvih uticaja, kao to je pojava vremenskog maskiranja koje je objanjeno kasnije.Prikazan ema ne obuhvata puteve delovanja povratnih sprega koji postoje

izmeu nekih delova sistema. Sprege se, pre svega, javljaju u delu neuronskih puteva. U


4/36


tom smislu karakteristina je i pojava povratne sprege koja iz centra u mozgu deluje nasrednje i unutranej uvo. Ova pojava e biti detaljnije objanjena u poglavlju o pomeranjugranice ujnosti.

Vidi se da proces koji se u okviru mehanizma ula sluha odvija od pritiska uzvunom polju do reakcije u svesti oveka podrazumeva prenos informacija sloenimputevima. Dananje poznavanje tih procesa nije ujednaeno po svim njihovim

segmentima. Rad fizikog dela ula sluha poznat je u mnogim njegovim detaljima, kakosa aspekta anatomije, tako i sa aspekta fiziolokih procesa koji se odvijaju pri sluanju.Brojni eksperimenti iji su rezultati objavljeni do danas pokazali su kako funkcioniemehanizam spoljanjeg, srednjeg i unutranjeg uva i putevi prenoenja neuralnih signalado mozga. Meutim, psiholoka sfera ula sluha je oblast u kojoj jo uvek ima veomamnogo nepoznanica i koja predstavlja veliko polje za istraivanje.

2.2 Prenosna funkcija uva

Prenos akustikog signala iz spoljanje sredine do unutranjeg uva odvija se krozzvuno polje oko i unutar delova spoljanjeg uva i kroz mehanike procese u srednjemuvu. Fizika priroda ovog prenosa je takva da spoljanje i srednje uvo, kao jedanprenosni sistem koji se nalazi ispred unutranjeg uva gde se nalaze senzori zvuka,ispoljavaju izvesnu nelinearnost u prenosnoj karakteristici. Takva pojava utie naspektralni sadraj signala prenet senzorima u unutranjem uvu.

Ui su postavljene na bonim stranama glave koja je u zvunom poljunezanemarljiva fizika prepreka na frekvencijama ije su talasne duine poredljive ilimanje od njenih dimenzija. Kao prepreka, glava utie na pojavu refleksije i difrakcije

(videti tekst u okviru), zbog ega samim prisustvom sluaoca u zvunom polju dolazi dopromena u njegovoj strukturi. Una koljka je takoe dodatna fizika prepreka oko ulazau sluni kanal. Ona ima relativno sloenu geometriju koja na svoj nain dodatno utie nastanje u zvunom polju u oblasti frekvencija odreenih njenim dimenzijama idimenzijama delova njenog reljefa. S obzirom na veliinu une koljke, to je oblastfrekvencija iznad nekoliko kiloherca. Najzad, sluni kanal je cevica sa ogranienimfizikim dimenzijama koja kao takva ispoljava izvesna rezonantna svojstva. Zbog togaprenos zvuka kroz nju takoe podrazumeva nelinearnu prenosnu karakteristiku.

Sve to zajedno ini da je akustiki signal koji deluje na ulo sluha u izvesnoj meriizmenjen u odnosu na stanje u slobodnom zvunom polju, koji postoji kada glavasluaoca nije prisutna u njemu. Te promene ine razliku izmeu pritiska koji deluje na

bubnu opnu sluaoca i pritiska koji deluje na membranu mernog mikrofona kada bi biopostavljen na isto mesto u prostoru umesto sluaoca.

Fiziki procesi u zvunom polju delovanjem glave i une koljke deavaju se utrodimenzionalnom polju, i njihovi uticaji na akustiki signal su, izmeu ostalog, funkcijapravca nailaska zvuka na glavu sluaoca, odnosno veliine uglova azimuta i elevacije.Prostiranje zvuka du slunog kanala je jednodimenzonalna pojava, pa ona ne zavisi odpravca nailaska spoljanje pobude. Zbog toga se spoljanje uvo sa aspekta zvunogpolja u njemu moe podeliti na "trodimenzionalni" i "jednodimenzionalni" deo.

Bubna opna i slune koice predstavljaju mehaniki prenosni sistem koji poprirodi stvari ne moe biti linearan u itavom irokom rasponu ujnog frekvencijskogopsega od 20 Hz do 20 kHz. Tako ovaj sklop dodatno unosi u prenosni sistem ula sluhanelinearnost svoje prenosne karakteristike.


5/36


Pojava fizike prepreke u zvunom polju ilustrovana je na donjoj slici na

primeru kugle prenika d. Kugla kao prepreka unosi promenu u zvunom polju uodnosu na stanje koje je bilo kada se ona nije tu nalazila. Sa prednje stranekugle javlja se refleksija, pa je polje u toj zoni rezultanta superponiranjadirektnog i reflektovanog talasa. Sa njene zadnje strane zvuna energija

dospeva difrakcijom, to podrazumeva izvesno smanjenje nivoa zvuka u odnosina stanje pre unoenja kugle u zvuno polje. Promene nastale unoenjem kugleu zvuno polje mogu se izraziti promenama nivoa zvuka u odnosu na stanje pretoga, izraene sa Lp i Lz. U sluaju kugle zvuna energija dospeva u zonuzvune senke sa svih strana, pa se javlja efekat superponiranja energije koja jedola razliitim putevima.

Lp

Lz

talasL

d

Izraenost refleksije i difrakcije na ovakvoj prepeci funkcija je odnosatalasne duine i prenika d. Zato su i veliine relativne promene zvunog pritiskaispred i iza prepreke Lp i Lz funkcije ovog odnosa. Na slici su prikazanevrednosti Lp i Lz u zavisnosti od odnosa prenika kugle i talasne duine, toimplicitno predstavlja njihovu zavisnost od frekvencije. Vidi se da postoji jednagranina oblast frekvencija, (priblino u okolini d/ = 0,1) ispod koje kugla svojimprisustvom ne utie na strukturu zvunog polja. Iznad te oblasti poinje uticaj

kugle kao prepreke, to podrazumeva povienje nivoa zvuka ispred nje, ismanjenje iza.

0.2 0.1 1 5-15

-10

-5

0

5

10

Lz

Lp

relativnapromenanivoa(dB)

d/


6/36


Monauralna prenosna karakteristika

Uticaj glave i une koljke na proces sluanja opisuje se razlikom izmeu zvunogpritiska na ulazu u sluni kanal sluaoca i zvunog pritiska na istom mestu kada uzvunom polju nije fiziki prisutan slualac. Odnos ova dva pritiska definie takozvanumonauralnu prenosnu karakteristiku. Razne pojave na glavi i unoj koljci utiu da ta

prenosna karakteristika nije linearna. Zbog trodimenzionalne prirode zvunog polja onaje funkcija azimuta i elevacije.

Principijelni izgled monauralne prenosne karakteristike za sluaj frontalneincidencije (azimut 0o) prikazan je na slici 2.3. To je kriva nacrtana na osnovuusrednjavanja rezultata merenja na izvesnom broju subjekata. Vidi se da u karakteristicipostoje maksimumi i minimumi lokalizovani u pojedinim oblastima frekvencija. To jeposledica raznih rezonantnih pojava na geometrijskim formama glave i une koljke, anezanemarljiv je i uticaj slunog kanala koji se nalazi u pozadini u od odosu na takuposmatranja (ulazni deo kanala). Individualna monauralna prenosna funkcija jedneosobe u principu ima izraenije maksimume i minimume i postoji odstupanje od osobe doosobe.

100 1000 10000-10

-5

0

5

10

15

ra

zlikanivoa(dB)

frekvencija (Hz)

Slika 2.3 Principijelni izgledmonauralne prenosne funkcijeza sluaj frontalne incidencije(=0). Nacrtana karakteristika

je dobijena izdvajanjem sutine

oblika krive dobijeneusrednjavanjem za vei brojsubjekata.

Sluni kanal je cevica koja je sa svoje prednje strane otvorena, a sa zadnjestrane zatvorena impedansom bubne opne. Njen izgled u preseku prikazan je na slici2.4. Pri zvunoj pobudi iz spoljanje sredine ovakva cevica, nezavisno od okruenja,ispoljava rezonantne pojave koje se javljaju na frekvencijama na kojima je duina kanalajednaka celobrojnom umnoku etvrtine talasne duine (takozvane etvrttalasnerezonance). S obzirom na dimenzije, prva takva rezonanca pojavljuje se u oblasti izmeu3 kHz i 4 k Hz.

Rezonance cevi manifestuju se u njenoj prenosnoj karakteristici maksimuma kojinastaju relativnim pojaanjem u oblasti rezonantnih frekvencija. Uticaj rezonanci slunogkanala vidi se na njegovoj amplitudskoj prenosnoj karakteristici prikazanoj na donjemdelu slike 2.4. Pokazan je primer jednog slunog kanala, a podrazumeva se da postojeindividualne razlike koje su posledica varijacija u njegovim dimenzijama od osobe doosobe. Individualne razlike koje nesumnjivo postoje ne utiu principijelno na oblik

prenosne karakteristike slunog kanala, koja uvek ima prvi maksimum i minimum u istojoblasti frekvencija. Kao to je pokazano na dijagramu oblasti ujnosti, upravo u toj zonifrekvencija uvo ispoljava najveu osetljivost. Prema tome, rezonace spoljanjeg uvadoprinose poveanju osetljivosti na srednjim frekvencijama.


7/36


A B

y25 mm

200 1000 100000

2

4

6

8

10

12

pojacanje(dB)

frekvencija (Hz)

Slika 2.4 Izgled slunog kanala upreseku (gore) i amplitudska

prenosna karakteristika izmeu

taaka A i B (dole).

2.3 Procesi na bazilarnoj membrani

Za inenjersko razumevanje onoga to se deava u formiranju zvune slike, osimelemenata iz domena psihologije rada ula sluha, veoma je znaajno sagledavanjeprirode fizikog procesa na bazilarnoj membrani. Mehanike rezonance bazilarne

membrane javljaju se popreno u odnosu na njenu duinu. Vrednost frekvencijerezonance odreena je zategnutou membrane u poprenom pravcu i drugimrelevantnim mehanikim svojstvima. Kontinualna promena ovih parametara dumembrane ini da se i frekvencije rezonance kontinualno menjaju. Pozicija najviefrekvencije rezonance (20 kHz) je na samom poetku membrane, neposredno poredovalnog prozora, a najnia (oko 20 Hz) na samom njenom kraju.

Svaka zvuna pobuda koja dospeva preko koica srednjeg stvara putujui talasu vidu vibracija du bazilarne membrane koji se kree od ovalnog prozora, gde je ulazunutranjeg uva, prema njenom kraju. Pri pobudi uva signalom jedne frekvencije ovoputovanje talasa odvija se sve do mesta na membrani gde se pobudna frekvencijapoklapa sa frekvencijom sopstvene mehanike rezonance membrane. Tu energija talasa

koji putuje pobuuje sopstvenu rezonancu membrane, to dovodi do maksimalnihamplituda vibracija na toj poziciji. U zoni maksimuma, odnosno rezonance, prostiranjetalasa se zaustavlja, jer sva njegova energija biva apsorbovana od strane rezonantnog


8/36


procesa membrane. Iza tog mesta membrana pri pobudi samo jednom frekvencijomostaje u stanju mirovanja.

Slika 2.5 - ematski prikaz dejstva zvune pobude na bazilarnu membranu

Ovakvo zbivanje pri ponudi zvukom jedne frejvencije prikazano je uproenomprostornom emom bazilarne membrane na slici 2.5. Vidi se pojednostavljen prikazprostiranja jednog putujueg talasa. Vibracije kreu sa prostiranjem od ovalnog prozorana levoj strani slike, gde se pobuda prenosi iz srednjeg uha. Iza zone na membrani gdese javlja rezonanca vibracija vie nema. Na slici 2.6 ematski je pokazan oblik dijagramaobvojnice amplitude vibracija bazilarne membrane koji bi otprilike odgovarao zbivanju saslike 2.5.

-max

0

+max

rezonanca

relativnaamplitudaoscilacija

duina bazilarne membrane

Slika 2.6 - ematski prikaz obvojniceamplitude vibracija bazilarne membrane

kada je pobuena zvukom jednefrekvencije, i koji odgovara situaciji sa slike

2.5.

Sa donje strane bazilarne membrane, itavom njenom duinom, nalaze sereceptorske elije koje reaguju na svaki pokret membrane. Sa slika 2.5 i 2.6 jasno je da


9/36


svaki nadraaj, ak i kada je veoma uskog spektralnog sadraja, proizvodi pobudureceptora du velikog dela membrane. Frekvencija pobude odreuje samo mesto gde ese javiti maksimum vibracionog odziva. Pri pobudi najniim ujnim frekvencijamapraktino itava bazilarna membrana se nalazi u stanju oscilovanja.

Sposobnost ula sluha da registruje razlike izmeu zvukova, odnosno daprima zvune informacije, poiva na mogunosti da se razlikuju oblici putujuihtalasa na bazilarnoj membrani i intenziteti vibracione pobude du nje. S obziromna konstrukciju bazilarne membrane, jasno je da sinusna pobuda nafrekvencijama preko 20 kHz ne moe biti registrovana. Meutim, to ne znai dase ne mogu praviti razlike u zvukovima kada sadre ili ne sadre spektralnekomponente iznad 20 kHz. Drugim reima, treba razlikovati problem percepcijesinusnih tonova ije su frekvencije vie od 20 kHz, i kompleksnih zvukova kojisadre, izmeu ostalog, i komponente iznad gornje granice ujnosti.

Postoje dva opteprihvaena objanjenja kako se mogu registrovati terazlike, iako se radi o frekvencijama na koje uvo u fizikom smislu nije osetljvo.Prvo, postoji izvesna nelinearnost u prenosnoj karakteristici sistema odspoljanjeg uva do bazilarne membrane. Pri zvunoj pobudi u uvu nastajuizvesna nelinearna izoblienja koja generiu nelinearne produkte nafrekvencijama zbirova i razlika prenoenih spektralnih komponenti. Pojavaspektralnih komponenti viih od 20 kHz u zvuku koji se slua znai da e i onena putu do bazilarne membrane uestvovati u procesu izoblienja i generisanjanovih komponenti. Takvi intermodulacioni produkti u kojima uestvujukomponente iznad 20 kHz ine razliku. Drugo, sve tranzijentne pojave koje kaotakve eventualno stvaraju neke karakteristine oblike putujuih talasa nabazilarnoj membrani mogu uiniti da se pravi razlika izmeu dva zvuka koji semeusobno razlikuju samo u delu spektra koji se nalazi iznad 20 kHz.

esto se u popularnoj literaturi sposobnost ula sluha da primeti razliku

kada kompleksni zvuk sadri i komponente iznad 20 kHz tumaila kao otkri

e dauvo moe uti frekvencije preko ove granice. Takva konstatacija nije tana jer

nema fizikog, odnosno anatomskog pokria. To moe biti samo posledicapojave intermodulacionih produkata i, eventualno, razlika u vremenskim oblicimatalasnih pojava na bazilarnoj membrani.

Intenzitet reakcije receptorskih elija srazmeran je veliini obvojnice vibracijamembrane neposredno iznad njih. Iz opisa reakcije membrane na zvunu pobudu sledida se pri pobudi sinusnim tonom javlja reakcija svih senzorskih elija od poetkamembrane do zone u kojoj se javlja rezonanca. Na mestu rezonance reakcija senzora je

najintenzivnija, ali informacije o pobudi alju sve pobu

eneelije, srazmerno lokalnomintenzitetu pobude, kao to je prikazano na slici 2.6. Centri u mozgu dobijaju sliku stanja

vibracija itave bazilarne membrane, a zvuna slika se formira na osnovu takvogkompleta informacija koje kontinualno dospevaju iz unutranjeg uva.

Frekvencijska raspodela maksimuma du bazilarne membrane

Raspodela mesta gde se javljaju maksimumi oscilacija du bazilarne membranenije frekvencijski linearna. Na slici 2.7 prikazana je jedna ilustracija relativne vibracionepobude du bazilarne membrane pri zvunoj pobudi tonovima tri razliite frekvencije:

25 Hz, 50 Hz i 1600 Hz. Maksimum odziva na frekvenciji 1600 Hz priblino je u zonipolovine bazilarne membrane. Zbog toga se u analizama audio sistema frekvencija1000 Hz uobiajeno smatra sredinom ujnog opsega, odnosno radnog opsega sistema.Sa slike 2.7 se vidi da to ima fizioloko opravdanje. Sa slike se takoe vidi da je veoma


10/36


irok opseg frekvencija od 1600 Hz do 20 kHz raspodeljen na jednoj polovini senzora,koliko imaju i frekvencije ispod 1600 Hz.

0 10 20 30 mm

25 Hz

0 10 20 30 mm

50 Hz

0 10 20 30 mm

1600Hz

Slika 2.7 - Ilustracija relativne promene vibracione pobude du bazilarne membrane za trirazliite pobudne frekvencije.

Intenzitet reakcije receptorskih elija srazmeran je veliini obvojnice vibracijamembrane neposredno iznad njih. Iz opisa reakcije membrane na zvunu pobudu sledida se pri pobudi sinusnim tonom javlja reakcija svih senzorskih elija od poetkamembrane do zone u kojoj se javlja rezonanca. Na mestu rezonance reakcija senzora jenajintenzivnija, ali informacije o pobudi alju sve pobuene elije, srazmerno lokalnomintenzitetu pobude, kao to je prikazano na slikama 2.5 i 2.6. Ovakav fiziki odziv uveo jeu objanjenje percepcije visine tona teoriju poloaja, pri emu se pod poloajempodrazumeva mesto na bazilarnoj membrani. Za svaku pobudnu frekvenciju postojijedan lokalizovani maksimum na njoj. Doivljaj visine tona, kada je uvo pobueno istimsinusnim signalom, odreeno je pozicijom tog maksimuma vibracija na bazilarnojmembrani.

Sa slike se takoe vidi da pomak od samo 25 Hz na najniim frekvencijama (od25 Hz do 50 Hz) znai pomeranje maksimuma pobude za priblino 10% ukupne duinebazilarne membrane. Ove slike na svoj nain ilustruju frekvencijsku nelinearnost uva,odnosno fiziki osnov njegove logaritamske karakteristike du frekvencijske ose. S

obzirom da je raspodela senzorskihelija du bazilarne membrane konstantna i njihovagustina priblino jednaka po jedinici duine, jasno je da to diktira i prirodu rezolucije po

frekvencijama koju ima ulo sluha.


11/36


Rezolucija po frekvencijama za iste tonove

Promena zvune pobude koja je primetna moe se definisati kao razliit zvunidogaaj, u smislu kako je to opisano u fizikoj definiciji zvunih informacija. Zakoni pokojima funkcioniu ljudska ula podrazumevaju da je pri nekom nivou pobude

neophodno izvriti njeno poveanje za neki odreeni procenat da bi to bilo primetno. Tosvojstvo svojstvo proizilazi iz logaritamske prirode rada ula. U domenu percepcije zvukaovaj zakon dovodi do pojma rezolucije ula sluha. Posmatrajui samo sa aspekta teorijeinformacija, ulo sluha moe da percepira konaan broj razliitih zvunih dogaaja.

injenica da je rezolucije ula sluha konana znai da u informacionom poljuzvuka sa slike 1.5, odnosno u oblasti ujnosti sa slike 1.7, postoji konaan broj razliitihfrekvencija koje ulo sluha moe meusobno da razlikuje, kao i konaan broj razliitihintenziteta zvuka koji se mogu uoiti. Drugim reima, ulo sluha ima konanu rezolucijupo frekvencijama i po nivoima zvuka.

Rezolucija ula sluha po frekvencijama definie se veliinom minimalne promenefrekvencije sinusnog tona koja se moe primetiti. Ta karakteristika ula sluha direktnoproizilazi iz procesa na bazilarnoj membrani, i moe se shvatiti kao minimalno pomeranjekrivih sa slike 2.7 koje senzori mogu da registruju.

Rezolucija po frekvencijama je zavisna od nivoa zvuka. Ponovo posmatrajui sliku2.7 jasno je da minimalno primetna pomeranja krivih zavise i od amplitude oscilovanja umaksimumu. to je taj intenzitet vei, to je maksimum izraeniji, pa se i njegovopomeranji du bazilarne membrane lake registruje. Pri nivoima zvuka bliskim graniciujnosti sposobnost ula sluha da primeti promene frekvencije manja je nego pri viimnivoima. Rezolucija po frekvencijama pri nivou zvuka 40 dB iznad granice ujnostiprikazana je dijagramom na slici 2.8. Vidi se da najveu rezoluciju ovek ima u srednjemopsegu frekvencija oko 1 kHz, i ona je malo manja od 0,2% (u apsolutnom smislu to

predstavlja promenu od oko 2 Hz). U oblastima prema visokim i prema niskimfrekvencijama rezolucija se pogorava, odnosno kriva sa slike raste. Prikazani dijagramrezolucije po frekvencijama podrazumeva da na uvo u jednom trenutku deluje samojedan sinusni ton. U sluaju delovanja kompleksnih zvukova u kojima postoje i prostesinusne komponente rezolucija po frekvencijama je drugaija.

100 1000 100000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

f/f(%)

frekvencija (Hz)

Slika 2.8 - Rezolucija ula sluha pofrekvencijama pri nivou zvuka 40 dB.


12/36


Rezolucija po nivoima za iste tonove

Budui da su zvune informacije dvodimenzionalne, definisane u prostorufrekvencija-nivo zvuka, mogue je osim minimalne potrebne promene frekvencijedefinisati i minimalnu promenu nivoa koju e uvo primetiti kao promenu u nadraaju.

Rezolucija ula sluha po nivoima definie se veliinom minimalne potrebne promenenivoa zvuka u decibelima da bi se to primetilo kao promena. Ona zavisi od nivoasluanja, a u izvesnoj meri zavisi i od frekvencije. Na slici 2.9 prikazan je dijagramsrednje rezolucije, dobijena usrednjavanjem rezultata za vie frekvencija ujnog podruja(videti napomenu u okviru o psihometriji sluha, jer su svi prikazani rezultati o rezolucijiula sluha dobijeni na osnovu principa 75% pouzdanosti odluivanja).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

L(dB)

nivo zvuka pri sluanju (dB)

Slika 2.9 - Rezolucija ula sluha ponivoima (minimalno ujno poveanje

nivoa zvuka) za sinusne tonove

Sa dijagrama se vidi da pri visokim nivoima zvuka pri sluanju, reda 80 dB, ulosluha moe primetiti promene nivoa sinusnog tona od svega 0,5 dB. Meutim, sasmanjenjem nivoa sluanja ova rezolucija se smanjuje. U okolini granice ujnostipotrebno je promeniti nivo zvuka skoro za 2 dB da bi to bilo primetno. Prikazani rezultatsa slike 2.9 odnosi se na iste sinusne tonove, a pri pobudi kompleksnim zvukovima

irokog spektra sposobnost rezolucije se smanjuje u odnosu na prikazani dijagram. Uliteraturi se esto navodi da je za zvukove irokog spektra, kao to je um, potrebnapromena nivoa od skoro 3 dB da bi bila primetna.

Subjektivni doivljaj jaine sinusnih tonova

U sluaju kada na uvo deluje ist sinusni ton subjektivni doivljaj jaine zvukarezultat je samo frekvencijske nelinearnosti osetljivosti uva kao senzora. U okolnostimatako jednostavne pobude nema sloenijih efekata koji nastaju delovanjem kompleksnihzvukova. Doivljaj jaine sinusnog takvog zvuka izraava se nivoom subjektivne jaina

zvuka (loudnes level). ee se koristi skraeni naziv subjektivna jaina zvuka, ili samojaina zvuka. Za njeno izraavanje u literaturi se najee koristi oznaka ili LN, iuvedena je jedinica koja se naziva fon.


13/36


Prikaz raspodele verovatnoe gornje granine frekvencije kod otolokizdravih osoba jedna je od ilustracija pravila da se o numerikim podacima kojikvantifikuju rad ula sluha moe govoriti samo kroz statistiku. To jekarakteristino ne samo za akustiku, ve i za sve druge oblasti analize rada ivih

organizama, pa je statistika takoe osnov svih istraivanja u medicini. U tomsmislu, granica ujnosti, ali i svi drugi podaci o mehanizmima rada ljudskog ulasluha koji e ovde biti pokazani, nisu egzaktni, ve statistiki pokazatelji.

Sva merenja u kojima su utvrivani neki od kvantifikatora ponaanja uvaobavljena su na dovoljno velikom uzorku populacije, ali takoe i uz sikscesivnaponavljanja merenja sa istim ispitivanim subjektima. Principi kojima je regulisanaprocedura takvih merenja naziva se psihometrija. Pri ovakvim merenjimapodrazumevaju se vee ili manje varijacije izmerenih vrednosti pri ponavljanjimamerne procedure.

Priroda psihometrijskih merenja moe se dobro ilustrovati na primerupostupka kojom je odreena granica ujnosti. Naime, pri ponovljenim merenjimaprirodno je da se dobijaju odgovori da se uje zvuk pri razliitim vrednostima

nivoa. Tako pri merenjima izmerena vrednost granice ujnosti varira neki decibelgore-dole od subjekta do subjekta, pa i pri ponovljenim merenjima sa istomosobom. Utvrivanje vrednosti granice ujnosti svodi se na pitanje verovatnoena bazi dovoljno velikog uzorka izmerenih podataka, to jest sa kojomverovatnoom e sluaoci pri nekoj vrednosti nivoa zvuka tvrditi da poinju utiton.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

prag 75%prag 50%

procenatpotvrdniihodgovora

jacina stimulusa Rezultat jednog takvog merenja moe se predstaviti krivom kao na slici.

Sa poveavanjem nivoa zvuka u sve veem procentu e testirani subjektikonstatovati da uju. Da bi se utvrdio jedna numerika vrednost nivoa zvukakoja predstavlja granicu ujnosti potrebno je prethodno usvojiti vrednostprocenta testirane populacije koji treba da na toj granici uje zvuk. Obino se priutvrivanju numerikih pokazatelja poput granice ujnosti uzima vrednost jainestimulusa pri kojoj se postie verovatnoa 50% ili 75% pogaanja.

U odreivanju granice ujnosti koja je usvojena kao standardna usvojenaje granica 75% pouzdanosti odluivanja, odnosno verovatnoe. To znai da su

tokom testiranja postojali sluajevi kada su neki od subjekata poinjali da uju iispod i iznad vrednosti nivoa zvuka koja je zapisana u standardu kao granica.Sve ovo treba imati u vidu pri tumaenjima podataka u inenjerskoj praksi.


14/36


Prikazana osetljivost ula sluha na pobudu jednostavnim sinusnim tonovima

utvrena je eksperimentalno, testiranjem na otoloki zdravoj populaciji. Na poetku je, podefiniciji, usvojeno da se skala nivoa subjektivne jaine zvuka u fonima na frekvenciji1000 Hz poklapa sa skalom objektivno merenog nivoa zvuka u decibelima. To znai daje poetna skala subjektivne jaine zvuka na jednoj frekvenciji utvrena konvencijom.

Zbog injenice da je izjednaena sa skalom nivoa zvuka, makar to bilo samo na jednojfrekvenciji (1000 Hz), skala subjektivne jaine zvuka u fonima ima odlike logaritamskeveliine.

Za tonove ije su frekvencije nie ili vie od 1000 Hz podaci o subjektivnoj jainizvuka utvreni su metodom naizmeninog slunog poreenja dva zvuka razliitihfrekvencija: jednog koji je predmet ocene subjektivne jaine i drugog, referentnog, na1000 Hz. Sluaocima je omogueno da samostalno podeavaju nivo signala koji jepredmet ocene i vre poreenje subjektivnog doivljaja njegove jaine sa referentnimzvukom. Cilj testa je bio da slualac podesi nivo tako da ova dva tona budu subjektivnoiste jaine, to znai da odgovaraju istom broju fona.

Sukscesivnim ponavljanjem ove procedure za razne frekvencije i oitavanjempodeenog nivoa zvuka dobija se u dijagramu oblasti ujnosti linija iste subjektivnejaine, takozvana izofonska linija. Sve vrednosti koje se nalaze na jednoj izofonskoj linijiimaju subjektivno istu jainu zvuka, koji je jednak onom na 1000 Hz. Poredei sareferentnim vrednostima na 1000 Hz pri raznim nivoima ovog zvuka dobijena je familijaizofonskih linija.

Na osnovu opisane procedure merenja, sprovedene na dovoljno velikom brojuotoloki normalnih osoba, i usrednjavanjem rezulta dobijene su standardne izofonskekrive prikazane na slici 2.10. Na slici su ucrtane krive u koracima od po 10 fona, mada seu tekstu standarda koji definiu subjektivnu jainu zvuka prikazuju dijagrami sa korakom1 fon. Svaka kriva odgovara jednoj vrednosti subjektivne jaine zvuka u fonima. Vidi se

da ranije pokazana kriva graniceujnosti predstavlja izofonsku krivu koja odgovarasubjektivnoj jaini zvuka 0 fona.

Dijagram prikazan na slici 2.10 preuzet je iz danas vaeeg standarda. Meutim,izofonske krive su odavno bile predmet merenja. Zbog toga se u starijoj literaturi moguvideti isti dijagrami sa neznatno drugaijim oblikom krivih. Naravno principijelni izgled jeisti, ali se javljju razlike u detaljima. One krive su dobijene u nekim ranijim merenjima, saopremom iji je tehnoloki nivo sigurno bio nii, i na zorcima populacije koji su modaimali neka ogranienja. U svakom sluaju, posmatrano istorijski, postoje razlike u ovimdijagramima kako su se pojavljivali kroz istoriju akustike i treba bitio bazriv prilikomnjihovog tumaenja.

Sa dijagrama izofonskih linija detaljnije se sagledava nelinearnost ula sluhanaznaena jo ranije oblikom krive granice ujnosti na slici 1.6. Kao ilustracija moe sesa dijagrama oitati da jainu 70 fona na frekvenciji 4 kHz, gde je uvo najosetljivije, imazvuk nivoa oko 60 dB, a na frekvenciji 20 Hz za istu subjektivnu jainu potreban je nivozvuka od preko 100 dB.

Promene zakrivljenosti izofonskih linija pokazuju da se nelinearnost ula sluha uizvesnoj meri smanjuje sa poveanjem nivoa zvuka. To ne znai da rad sluha pri bilokom nivou postaje linearan po frekvencijama. Moe se se samo rei da pri viim nivoimazvuka dolazi do izvesnog smanjenja nelinearnosti.


15/36


20 100 1000 10000-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

10

20

nivozvuka(dB)

frekvencija (Hz)

Slika 2.10 - Dijagram izofonskih linija (brojevi na linijama znaavaju fone)

2.4 Ponaanje ula sluha pri kompleksnoj pobudi

Kada na uvo deluju zvukovi kompleksnog spektralnog sadraja i sloenevremenske strukture, kao to je to na primer muzika ili razi zvukovi iz okruenja,vibracioni odziv bazilarne membrane postaje mnogo sloeniji nego to je to prikazano naslikama 2.5, 2.6 i 2.7. Tada dolazi do razliitih meusobnih uticaja izmeu bliskih delovabazilarne membrane pri oscilatornom kretanju, kao i do drugih pojava u unutranjem uvui nervnim putevima koji ine da je proces percepcije kompleksnih zvukova sloeniji odpokazanih zakonitosti za sluaj sinusnih tonova.

Najznaajnija pojava pri pobudi kompleksnim zvukovima je maskiranje.Maskiranje je pojava koja se manifestuje nesposobnou ula da registruje neki zvuninadraaj samo zbog toga to istovremeno u uvo stie neki drugi zvuk koji ga na nekinain maskira. Naime, svaki zvuk koji dospeva u uvo svojom pobudom izaziva efektezbog kojih nije mogue istovremeno registrovati neke druge, konkurentske zvukove kojisu mu u frekvencijskom ili vremenskom domenu suvie blizu, a pri tome nedovoljno jaki(meusobnu konkurenciju zvukova treba posmatrati sa aspekta njihovog dejstva naunutranje uvo). Takve zvukove, iako su prisutni u uvu i svojim fizikim dimenzijama senalaze unutar oblasti ujnosti, ulo sluha ne registruje jer je na izvestan nain ometeno.

Maskiranje moe nastupiti zbog bliskosti maskirajueg i maskiranog zvuka na skalifrekvencija (frekvencijsko maskiranje) i zbog meusobne blizine na vremenskoj osi(vremensko maskiranje).


16/36


Frekvencijsko maskiranje

Frekvencijsko maskiranje podrazumeva pojavu da u prisustvu zvuka nekefrekvencije postoji ira oblast na frekvencijskoj osi u kojoj novi zvukovi ne mogu pobuditisenzore u uvu ako im je intenzitet manji od nekog praga. Ovaj efekat je principijelno

definisan obvojnicom sa slike 2.6, gde je pokazano da pobuda bazilarne membranezvukom neke frekvencije podrazumeva vibracije na membrani u irokoj zoni. Razlikavibracionog odziva du membrane samo je u rasporedu intenziteta, odnosno u veliiniobvojnice njenih vibracija, sa maksimumom na poziciji gde je mehanika rezonancajednaka pobudnoj frekvenciji.

Frekvencijsko maskiranje se kvantifikuje krivom maskiranja iji je principijelni oblikprikazan na slici 2.11. U prisustvu pobude oznaenim sinusnim tonom nekog intenzitetauvo ne moe registrovati zvukove koji se nalaze ispod ucrtane granice maskiranja. Toznai da su svi zvukovi koji se na slici nalaze unutar trafirane oblasti u prisustvuprisutnog sinusnog tona privremeno neujni, jer bazilarna membrana u toj zonifrekvencija ve osciluje nekim intenzitetom.

granica maskiranja

ostalih zvukova

sinusni ton

intenzite

frekvencija

Slika 2.11 - Principijelni izgled oblika

krive frekvencijskog maskiranja

Kao to se vidi sa slike, kriva maskiranja svojim oblikom nije simetrina u odnosuna poloaj frekvencije maskirajueg tona. Ona je ira prema visokim frekvencijama, imoe se rei da, teorijski gledano, opada sve do najviih ujnih frekvencija. Oblik krivemaskiranja u izvesnoj meri se menja u zavisnosti od frekvencije maskirajueg tona injegovog intenziteta, ali uvek zadrava njen asimetrini izgled kakav je prikazan na slici2.11. Ta injenica proizilazi iz naina oscilovanja bazilarne membrane koji je prikazan naslici 2.5.

Realan izgled krive maskiranja pri pobudi sinusnim tonom frekvencije 1200 Hz inivoa 110 dB prikazan je na slici 2.12. Vidi se da se pojava frekvencijskog maskiranjamoe shvatiti kao specifina deformacija granice ujnosti, jer ono podrazumevapomeranje granice ujnosti navie u zoni oko pobudne frekvencije. Za razliite nivoe

pobude istim tonom moe se nacrtati itava familija krivih maskiranja. Isto tako, mogu seprikazati krive maskiranja i za razliite frekvencije pobude, pa se pojava frekvencijskogmaskiranja u celini opisuje velikim skupom krivih poput one sa slike 2.12.


17/36


100 1000 10000-10

010

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

nvo

frekvencija (Hz)

Slika 2.12 - Realna krivamaskiranja u prisustvu

maskirajueg zvuka nivoa110 dB frekvencije 1200 Hz

Vremensko maskiranje

Vremensko maskiranje znai da pri pobudi ula sluha nekim zvunim stimulusompostoji izvesna zona na vremenskoj osi pre i posle njegovog delovanja u kojoj drugizvukovi, ako nemaju dovoljan intenzitet, ne mogu biti registrovani. Moe se rei daaktiviranje mehanizma ula sluha pri nailasku neke zvune pobude stvara uslove da onopostaje neosetljivo na druge, slabije stumuluse koji su na vremenskoj osi nailineposredno pre ili neposredno posle te pobude. Na slici 2.13 prikazan je principijelniizgled vremenskog oblika maskiranja. Posebno interesantno je da se efekat maskiranjajavlja i pre i posle maskirajueg zvuka, to se naziva maskiranje unapred i maskiranjeunazad.

Pojava maskiranja nakon prestanka pobude, oznaena kao maskiranje unapred,moe se objasniti vremenom smirivanja oscilacija u uunutranjem uvu. Ta pojava se

moe modelovati nekim ekvivalentnim vremenom reverberacije uva, to znaianalogijom sa opadanjem zvunog polja u prostorijama. Jasno je da nova pobuda mora

biti jaa od trenutnog stanja vibracija bazilarne membrane da bi bila registrovana.Trajanje smirivanja oscilacija zavisi od intenziteta pobude, i moe biti reda veliinedesetina milisekundi.

Pojava maskiranja unazad je svojevrsna specifinost, jer to znai da e doi doometanja percepcije zvuka koji je u uvo stigao ranije, ako pri tome nije bio dovoljnogintenziteta da se na putu do centara u mozgu izbori sa nadraajem koji je stigao netokasnije, ali je znatno jai. Ovakva pojava je posledica postojanja mehanizama delovanja"unapred" u domenu neuronskih puteva, kao to je prikazani na slici 2.2. U tom deludolazi do preticanja informacija na putu do mozga.


18/36


granica maskiranjaunazad

granica maskiranjaunapred

sinusni ton

intenzitet

vreme

Slika 2.13 - Principijelni izgledoblika krive vremenskog maskiranja

Kritini opsezi

Analiza vibracija bazilarne membrane koju vre receptorske elije sa njene donjestrane ima konanu rezoluciju zbog konanog broja takvih elija i zbog injenice da sesignali iz grupa elija stapaju u jedinstven signal koji ide ka mozgu jednim nervnimvlaknom. To objanjava zato selektivnost ula sluha u frekvencijskom domenu imaizvesna ogranienja. Znaajnije od frekvencijske rezolucije je injenica da se zbivanja na

bliskim delovima bazilarne membrane stapaju u jedinstvenu informaciju koja dalje putujejednim zajednikim nervnim vlaknom.Ova pojava na bazilarnoj membrani uvodi pojam kritinog opsega. Pod tim se

podrazumeva irina frekvencijskog opsega u kome se dve frekvencijski bliske pobude nabazilarnoj membrani ne mogu u zvunoj slici potpuno razdvojiti. Ako dva tonaistovremeno deluju na uvo i imaju istu frekvenciju, oni se stapaju u jedinstven doivljajjednog jedinog tona. Ako se frekvencija jednog od ta dva tona menja navie ili nanie,potrebno je napraviti frekvencijski pomak koji je vei od neke granice da bi se jasnorazdvojio doivljaj dva nezavisna tona. Dok god je razlika izmeu njihovih frekvencijamanja od te granice, subjektivni utisak ne ukazuje na postojanje dva tona, ve utisak"rapavog" jednog tona.

Veliina kritinog opsega je funkcija frekvencije, i prikazana je na slici 2.14. Vidi seda je na ona raste sa porastom frekvencija. Na viim frekvencijama pribliava se opsegu1/6 oktave, a na niim frekvencijama njegova irina raste i pribliava se oktavnomopsegu. Veliina kritinog opsega proizilazi iz anatomskih i fiziolokih karakteristikaunutranjeg uva, to jest mehanike bazilarne membrane, strukture receptorskih elija inervnih puteva.

Subjektivni doivljaj jaine sloenih zvukova - glasnost

Subjektivni doivljaj jaine zvuka pri sloenoj zvunoj pobudi predstavlja rezultat

superponiranih uticaja svih do sada opisanih anatomskih, fiziolokih i psiholokihosobina koje deluju u kompleksnom procesu stvaranja zvune slike, kao to sumaskiranja, irina kritinih opsega itd. U odnosu na doivljaj jaine prostid tonova


19/36


subjektivni doivljaj kompleksnih zvukova veoma je sloena pojava koja se ne moesvesti samo na podatke o izmerenim nivoima zvuka koji deluju na uvo.

100 1000 1000010

100

1000

1ok

tava

1/3ok

tave

1/6ok

tave

irinakriticnogopsega(Hz)

frekvencija (Hz)

Slika 2.14 - Dijagram promeneirine kritinog opsega u funkciji

frekvencije

irina kritinih opsega moe se uporediti i sa irinom muzikih intervala.Doivljaj u zvunoj slici pri istovremenom sviranju dva muzika tona koja su meusobnorazmaknuta za neki interval proizilazi, izmeu ostalog, i iz odnosa izmeu njihovograzmaka i irine kritinog opsega u oblasti frekvencija gde se ti tonovi nalaze. Na donjojslici je prikazan odnos irine kritinog opsega prema irini polutona, celog tona i veliketerce (etiri polutona).

100 1000 100001

10

100

1000

interva

lvelike

terce

interva

lcelo

gton

a

interva

lpolu

tona

irinakriticnogopsega(Hz)

frekvencija (Hz)

Sa slike se vidi da disonatnat utisak kada se slua odsvirani interval polutona i celogtona u odnosu na tercu proizilaze iz injenice da ovi intervali upadaju u isti kritianopseg, zbog ega se njihov doivljaj stapa u jedan utisak, a ne kao dva odvojena tona.


20/36


Za kvantifikovanje subjektivnog doivljaja jaine sloenih zvukova konvencijom jeutvrena nova veliina koja se naziva glasnost (loudnes). Jedinica glasnosti je son.Naime, pokazano je da skala fona ima logaritamsku prirodu, kao i nivo zvuka u domenuobjektivnih mera. To znai da dvostruko vea subjektivna jaina zvuka ne znai

dvostruku vrednost u fonima. Testovima je utvreno da subjektivni oseaj dvostrukojaeg zvuka zahteva poveanje jaine zvuka za oko 10 fona. Zbog toga je postojalapotreba za primenom neke linearne skale subjektivnog doivljaja jaine, to je dovelo douvoenja glasnosti. Uobiajena oznaka za glasnost je s.

Skala glasnosti je definisana tako to je, po konvenciji, usvojeno da glasnosti od1 sona odgovara jaina zvuka 40 fona. Takoe po definiciji, udvostruavanje glasnosti,odnosno udvostruavanje subjektivnog doivljaja jaine zvuka, podrazumeva dvostrukuvrednost u sonima, a to priblizno odgovara poveanju jaine zvuka za 10 fona.

injenica da je skala sona definisana tako da glasnosti 1 son odgovara jainizvuka 40 fona i da promena od 10 fona odgovara udvostruavanju broja sona,omoguava da se ustanovi analitika veza izmeu glasnosti i jaine zvuka. Izraz kojidefinie ovakvu njihovu vezu je:

10

40)(

2)(

=

fona

sonaS

Bitno je imati u vidu da se odreivanje glasnosti nekog zvuka moe vriti samoporeenjem sa drugim zvukom poznate glasnosti. Zbog toga i zavisnost odreenagornjim izrazom ne odslikava sasvim precizno ponaanje uva, ali je dovoljno tana zamnoge praktine aplikacije.

U sluaju kada je zvuna pobuda frekvencijski i amplitudno kompleksna, doivljaj

jaine zvuka rezultat je uticaja ne samo osetljivosti, vei svih opisanih procesa uspektralnom i vremenskom domenu koji se javljaju u radu ula sluha. ak i pri dejstvuzvukova koji se sastoje od manjeg broja spektralnih komponenti, subjektivna jaina nijejednaka jednostavnom zbiru glasnosti pojedinano prepoznatih komponenti.

Zbog tako sloenih procesa izraavanje subjektivnog doivljaja jaine zvukamogue je samo subjektivnim ocenjivanjem, to znai metodom meusobnog poreenjajaine dva zvuka. U takvim okolnostima glasnost je veliina koja se za to koristi.Izraavanje subjektivnog doivljaja jaine zvuka u sonima se realizuje poreenjem naosnovu utvrenog etalona istog sinusnog tona jaine 40 fona koji predstavlja jedininuglasnost.

Moe se rei da ne postoji potpuni matematiki model za odreivanje subjektivnejaine sloenih zvukova, ali se u praksi koristi nekoliko algoritama ija je tanostprihvatljiva u praksi. Svi oni pre svega polaze od spektra zvuka da bi se odredio uticajmaskiranja. Dve takve metode se danas koriste u praksi: Cvikerova i Stivensonovametoda. Cvikerova metoda polazi od 1/3 oktavnog spektra i omoguava odreivanjeglasnosti i kada je spektar zvuka neregularan, ak i sa pojedinanim diskretnimkomponentama. Stivensonova metoda je jednostavnija i polazi od oktavnog spektrazvuka. Primenjiva je samo kada je spektar zvuka uravnoteen, bez velikihneregularnosti. Danas na tritu postoje softverski paketi koji slue za merenjesubjektivne jaine zvuka na osnovu signala registrovanog mikrofonom.


21/36


2.5 Vremenska integracija zvune pobude

Pobuda ula sluha srazmerna je energiji koju uvo primi iz zvunog polja. Naosnovu toga se u uhu odvija izvestan proces integracije energije u vremenu, pa jeintenzitet pobude senzora srazmeran srednjoj vrednosti energije posmatrane u intervaluvremenske konstante te integracije. U okolnostima kada su zvuni stimulusi promenljivogtrajanja, ovakva osobina se manifestuje kao izvesna nelinearnost ula sluha u funkcijitrajanja zvune pobude. To se manifestuje pojavom da oseaj jaine zvuka zavisi i odnjegovog vremenskog trajanja.

Ako se predpostavi da se ulo sluha pobuuje sinusnim tonom ogranienogtrajanja, rezultat e biti neki subjektivni doivljaj jaine takvog zvuka. Kada pobuda trajedovoljno dugo, to u praksi znai due od oko 0,5 s, razlika u subjektivnom doivljajujaine zvuka praktino ne postoji, bez obzira na njegovo trajanje. Meutim, ako setrajanje pobude skrati na intervale ispod 0,5 s, pa i veoma kratke, javie se razlika usubjektivnom doivljaju u zavisnosti od trajanja dejstva zvune energije na ulo sluha.

10 100 10000

2

4

6

8

10

12

14

4 kHz

1 kHz

125 Hz

povienjepraga

cujnosti(dB)

trajanje tona (ms)

Slika 2.15 - Dijagram zavisnostipromene praga ujnosti u funkciji

trajanja tona

Uticaj trajanja zvunog stimulusa na subjektivni doivljaj jaine zvuka uobiajenose prikazuje dijagramom kao na slici 2.15. Krive su dobijene ispitivanjem pri nivoimazvuka bliskim granici ujnosti. Vidi se da skraivanje trajanja pobude ispod granice redaveliine 0,5 s kao rezultat prouzrokuje pomeranje granice ujnosti prema viim nivoima.To znai da se krai zvukovi subjektivno doivljavaju kao tii. Oitavajui sa dijagramazakljuuje se da pobude ije je trajanje oko 10 ms moraju biti oko 10 dB vieg nivoa da bise subjektivno doivljavale istom jainom kao pobuda dueg trajanja. Sa slike se takoevidi da kvantitativni uticaj trajanja na subjektivni doivljaj u izvesnoj meri zavisi i odfrekvencije.

Iz prikazanih rezultata proizilazi da sa aspekta subjektivnog doivljaja jaine zvukauvo ima osobinu nekakvig integratora. Moe se slikovito rei da u mehanizmu rada ulasluha postoji vremenski prozor u okviru koga se vri integrisanje energije pobude.


22/36


Subjektivni doivljaj jaine zvuka je srazmeran energiji koja upada u taj vremenskiprozor. Sa dijagrama na slici 2.15 moe se proceniti da period integracije traje oko300 ms. U literaturi se obino navodi da je vrednost konstante integraljenja u uvu oko200-300 ms, ali je jasno da precizan podatak zavisi od naina oitavanja sa prikazanihkrivih.

Uticaj vremenske integracije uva na subjektivni doivljaj jaine zvuka

Vremenska integracija je jako vana za subjektivni doivljaj jaine muzikogsignala, ali i za doivljaj jaine zvuka u prostorijama. U muzici vremenski interval od300 ms, koliki je priblino period integracije, relativno je veliki. Muzika uobiajeno sadrizvune pojave koje traju mnogo krae (razni udarci, kratke note, itd.). Zbog uticajaintegracije takvi kratki zvukovi subjektivno se doivljavaju tiim nego to objektivno jesu.

Vremenska integracija zvune pobude ima veliki znaaj u percepciji zvuka uprostorijama. Da bi se objasnila ova pojava, na slici 2.16 je prikazana idealizovanastruktura impulsnog odziva prostorije. Ranije je pokazano da se u odzivu prostorijenaelno mogu razdvojiti tri energetske komponente: direktan zvuk, prve refleksije ireverberacioni deo. Redosled kojim su nabrojani odgovara vremenskom redosledustizanja do prijemne take, odnosno sluaoca. Poetak odziva odreuje trenutak stizanjadirektnog zvuka. Nakon toga slede prve refleksije, a reverberacioni deo karakterievelika gustina komponenti sa obvojnicom koja u vremenu tei nuli brzinom definisanomvremenom reverberacije ili njenim nagibom izraenim u dB/s.

U realnosti se osnovna forma impulsnog odziva menja u zavisnosti odkarakteristika prostorije: njene zapremine, geometrijskih proporcija i ukupnih energetskihgubitaka zvuka (apsorpcija) koji zavise od materijalizacije enterijerskih povrina. U malimprostorijama i prostorijama u kojima je ukupna apsorpcija velika, trajanje impulsnog

odziva moe biti relativno kratko, dok u velikim prostorijama i prostorijama u kojima jeapsorpcija mala, vremensko trajanje odziva je due. Vreme reverberacije u veomavelikim prostorima, kao to su velike crkve ili velike akustiki neobraene hale, moe biti ido 10 s (na prime ru crkvi Svetog Marka u Beogradu).

vreme

nagib:dB/siliT(s)

prverefleksije

direktantalas

reverberacija

reltivninivo(dB)

Slika 2.16 - Idealizovana strukturaimpulsnog odziva prostorije


23/36


Interesantno je da efekat vremenske integracije utie i na kvalitet zvune slike

pri reprodukciji muzike primenom sistema za ozvuavanje. Kada sistem nema dovoljnurezervu snage i radi na svojim graninim mogunostima, dolazi do prinudne kompresijesignala, odnosno zaravnjenja njegovih impulsnih delova. Nasuprot tome, kada se koristisistem koji pri nominalnom nivou zvuka ima veliku rezervu snage, on je sposoban da

bez izoblienja prenese sve impulse u muzikom signalu. Kao rezultat efektavremenske integracije esto se deava da subjektivni utisak reprodukovanog zvukapomou dovoljno snanog sistema za ozvuavanje, koji ima dovoljnu rezeru snage,bude subjektivno tie nego kada se koristi nedovoljno snaan sistem, iako je pri tomesrednja vrednost nivoa zvuka merena instrumentom jednaka u oba sluaja.

Subjektivni dozivljaj jaine zvuka zavisi od koliine energije u odzivu prostorijekoja upada u integracioni interval ula sluha. Pri tome, integracija se startuje trenutkomnailaska direktnog zvuka. Efekat vremenske integracije u prostorijama sa kraim i duimtrajanjem odziva ilustrovan je na slici 2.17. Pri kraem impulsnom odzivu u integracioni

period, nakon to je startovan stizanjem direktnog zvuka, ulazi najvei deo celine odziva,pa je subjektivni dozivljaj jaine zvuka funkcija energije i prvih refleksija i reverberacionog

dela (slika 2.17a). U prostorijama sa relativno dugakim impulsnim odzivom uintegracioni period sa direktnim zvukom uglavnom ulaze samo prve refleksije. Zbog togau velikim prostorima prve refleksije dominantno odreuju subjektivni doivljaj jainezvuka (slika 2.17b). Reverberacioni deo odziva tada utie samo na estetski doivljajzvuka, a ne i na subjektivni doivljaj jaine. Takve okolnosti postoje u koncertnim salamai velikim halama.

U nekim velikim salama subjektivni doivljaj jaine zvuka je niskog nivoa samo

zbog toga to u impulsnom odzivu nema dovoljno brzih i jakih prvih refleksija. Njih unarodu bije glas da su gluve, iako im je vreme reverberacije korektno podeenoprema zahtevima za koncertne sale.

period integracije

vreme

nivo(dB)

a)

period integracije

vreme

nivo(

dB)

b)Slika 2.17 - Ilustracija razlike u znaaju pojedinih delova impusnog odziva za subjektivni doivljaj

jaine zvuka: a) kod kratkih odziva (male prostorije) skoro itav odziv ulazi u period integracije, b)kod dugakog odziva (velike prostorije) samo prve refleksije su znaajne za doivljaj jaine

zvuka.


24/36


2.6 Izoblienja signala u uvu

Kao i svi drugi drugi prenosni sistemi, i uvo pokazuje izvesnu nelinearnost u svojojprenosnoj karakteristici na putu od pobudnog zvunog pritiska koji deluje na bubnu opnudo pobude receptora na bazilarnoj membrani. Poto uvo nije etvoropol iji se izlaz moelako posmatrati i meriti njihovo stanje (izlaz je u fizikom smislu nedostupan), traganje zadokazima o njegovoj nelinearnosti je relativno sloeno. Takva analiza se moe vritisamo indirektno, sa ciljem da se otkriju pojave u zvunoj slici koje dokazuju nelinearnostprenosa.

Nizom eksperimenata utvreno je da postoji mehanizam koji u uvu generieharmonike i intermodulacione produkte. Oni su posledica nelinearnosti u odzivu navibracionu pobudu bubne opne i slunih koica. Nivo nastalih novih spektralnihkomponenti srazmeran je nivou zvune pobude. to je nivo pobude vii, izoblienje jevee.

Dokazi o postojanju harmonika koji nastaju u uvu mogu se dobiti preko indirektnihefekata koji nastaju prisustvom harmonijskih komponenti u zvunoj slici. Pod odreenimokolnostima u uvu se moe registrovati pojava izbijanja, to jest pojava komponenti uzvunoj slici koje se javljaju na frekvencijama zbira ili razlike frekvencija objektivnoprisutnih zvukova koji spolja deluju na uvo. Ve to je pojava koja dokazuje da postojiodreena nelinearnost. Postoje eksperimenti kada se moe uti zvuna komponentakoja nastaje izbijanjem zvuka koji deluje spolja i harmonika koji nastaje u uvu. To su sveindirektni dokazi o tome da se u uvu generiu harmonici, to dokazuje i da postojeizoblienja pri prenosu zvuka od spoljanje sredine do receptora u unutranjem uvu.

Izoblienja u uvu su jedan od razloga zbog kojih neumitno postoji izvesna razlikau zvunoj slici kada su nivoi sluanja veoma visoki (na primer glasniji koncerti sa

ozvuenjem, diskoteke, itd.) i kada su nivoi uobiajeni (preporueni nivoi sluanja).Izvesne razlike koje se subjektivno mogu konstatovati u takvim okolnostima nisuposledica samo uvek prisutnih razlika u kvalitetu ureaja kojim se vri reprodukcija,izoblienja u elektrinom doemenu ili na zvunicima, ve i zbog izoblienja nastalih usamom uhu pri dovoljno visokim nivoima zvune pobude.

2.7 Binauralno sluanje

Jedna od najznaajnijih osobina ula sluha jeste mogunost percepcije prostornihdimenzija zvune slike. Ova osobina odrazumeva sposobnost ula da odredi pravac izkoga zvuni talas nailazi na glavu sluaoca, definisan azimutom i elevacijom kao na slici2.1, ali isto tako i da u okolnostima zvunog polja sloene prostorne strukture, kao to jeto u prostorijama, percepira tu injenicu i u izvesnoj meri pravi razliku izmeu razliitihprostornih struktura polja. Sve to je mogue zahvaljujui tome to ulo sluha radi sa dvaprostorno razdvojena senzora i sa glavom kao fizikom preprekom izmeu njih. Ovakavmehanizam percepcije naziva se binauralno sluanje.

Razlike signala na levom i desnom uvu

Prostorna razdvojenost uiju ini da signali na levom i desnom uvu nisu isti. Dvebitne fizike pojave postoje kao posledica: vremenska i intenzitetska razlika signala na


25/36


levom i desnom uvu. Vremenska razlika signala se naziva interauralno kanjenje. Kadazvuk nailazi iz pravca odreenog nekih zadatim azimutom moe se uvesti definicijablieg i daljeg uva. Zvuk stie do blieg uva neto ranije nego do daljeg uva zbognjihovog rastojanja. Za prosenu glavu zavisnost interauralnog kanjenja u funkcijiazimuta prikazana je dijagramom na slici 2.18. Vremenska razlika koja tako nastajenajvea je za azimut 90o, oko 0,6 ms. Tana vrednost kanjenja, naravno, zavisi od

individualnih dimenzija i oblika glave.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

interauralnavrem

enskrazlika(ms)

azimut (stepeni)

Slika 2.18 - Zavisnost interauralnog

kanjenja od veliine azimuta zaprosenu veliinu glave

Interauralna razlika je parametar koga ulo sluha koristi za utvrivanje pravca izkoga dolazi zvuk. Na niskim frekvencijama, gde je trajanje periode vee od interauralnogkanjenja, tako mala vremenska razlika je dovoljna za formiranje svesti o pravcu u komese nalazi izvor zvuka. Meutim, sa porastom frekvencije, odnosno kada trajanje periodesignala postaje poredljivo ili manje od interauralnog kanjenja, dolazi do konfuzije utumaenju registrovane razlike. Zbog toga na visokim frekvencijama vremenska razlikanema znaaja za odreivanje pravca. Na veoma niskim frekvencijama, to znai zanajvea trajanja periode, interauralno kanjenje ne daje dovoljnu faznu razliku, pa nidovoljno informacija za odreivanje pravca nailaska zvuka.

Na visokim frekvencijama glava predstavlja prepreku koja je poredljiva, ili akmnogo vea od talasnih duina. Na primer, na frekvenciji 10 kHz talasna duina je 3,4

cm, pa je prosena glava ve na toj frekvenciji mnogo vea od talasne duine. U takvimokolnostima dolazi do refleksije zvunih talasa od glave, pa na blie uvo deluje zbirdirektnog i reflektovanog talasa. Kao rezultat, na bliem uvu se javlja poveavanje nivoazvuka u odnosu na nivo zvuka koji postoji u istoj taki prostora kada glava nije prisutna uzvunom polju. Istovremeno se udaljenije uvo nalazi u zvunoj senci glave. Energija kojadeluje na njega dospeva samo difrakcijom oko glave, to podrazumeva frekvencijskizavisno slabljenje u odnosu na nivo koji postoji kada glava nije prisutna u zvunom polju.Kao rezultat, na srednjim i viim frekvencijama postoji interauralna razlika u nivoimazvuka, i ona je frekvencijski zavisna. Ova razlika dominantno zavisi od odnosa dimenzijeglave i talasne duine, ali izvestan uticaj imaju i pojedini geometrijski detalji na glavi. Naviim frekvencijama uticaj imaju i une koljke, kada i one postaju znaajna fizika

prepreka. Pokazano je da na signale koji deluju na levo i desno uvo odreene efekte imaak i ljudski torzo, jer do uva stie i refleksija od ramena.


26/36


Prenosna funkcija glave za blie i dalje uvo

Uticaj svih faktora koji odreuju interauralne razlike intenziteta signala na levom idesnom uvu opisuju se veliinom koja se u literaturi naziva prenosna funkcija glave(head related transfer function - HRTF). Ona se uobiajeno definie preko impulsnog

odziva registrovanog na poziciji bubne opne (po nekada i na otvoru spoljanjeg slunogkanala, to se svodi na dve ranije opisane monaralne prenosne karakteristiku za blie idalje uvo). Po svojoj definiciji, HRTF pokazuje promene koje nastaju u zvunom polju uodnosu na stanje koje postoji kada glava nije prisutna u polju.

Za ilustraciju HRTF, na slici 2.19 je prikazan njen izgled za azimut 90o. Dva efektakoja odreuju razlike: sabiranje direktnog i reflektovanog zvuka na bliem uvu i zvunasenka na daljem uvu, ine da je kriva prenosne funcije blieg uva uvek iznad krivefunkcije daljeg uva. Sa slike se moe oitati da je na frekvenciji 4 kHz nivo zvuka naulazu u sluni kanal skoro 20 dB vii nego kada u polju na tom mestu nema glave.

200 1000 10000-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

dalje uvo

blize uvo

relativninivo(dB)

frekvencija (Hz)

pravac nailaskazvuka

blieuvo

daljeuvo

Slika 2.19 - Prenosna funkcija glaveizmerena na jednoj osobi za azimut

od 90o

Na slici se takoe vidi da u obliku krive prenosne funkcije glave postoje izvesnefluktuacije. One su posledica raznih talasnih pojava koje nastaju interferencijama,uglavnom kao rezultat superponiranja reflektovane energije od pojedinih delova glave ienergije koja prolazi oko glave razliitim putevima. Posmatrajui sa aspekta ula sluha

kao prijemnika na izlazu audio sistema, moe se rei da glava u zvunom polju delujekao sloeno filtarsko kolo.Oblik prenosne funkcije glave zavisi od azimuta. Za svaku vrednost azimuta

prenosna funkcija ima drugaiji oblik. U sluaju azimuta od 90o razlike u funkcijama za


27/36


blie i dalje uvo su najvee, to je i prikazano na slici 2.19. Detaljno poznavanje HRTFpodrazumeva banku impulsnih odziva blieg i daljeg uva, odnosno odgovarajuihprenosnih funkcija, za vrednosti azimuta u dovoljno malim koracima (najee od po 10oili manje). Oni se dobijaju merenjem u anehoinoj prostoriji menjajui poziciju zvunikapo krugu oko sluaoca.

Poto je HRTF posledica talasnih pojava na glavi koja predstavlja prepreku u

zvunom polju, jasno je da u tom pogledu moraju postojati izvesne individualne razlikeod osobe do osobe. One su posledica injenice da postoje razlike u veliini i oblikuglava, kao i razlike u dimenzijama bitnih fizikih detalja na glavi. Zbog toga svaka osobaima svoj specifian oblik HRTF na koje je ulo sluha prilagoeno.

Korelisanost signala na levom i desnom uvu

Odnos signala na levom i desnom uvu moe se posmatrati i preko njihovekorelacije. Kada zvuni talas nailazi u osi glave, odnosno kada je azimut 0o, onda susignali na levom i desnom uvu identini, odnosno potpuno korelisani. Pomeranje pravcaod ose glave povlai za sobom promenu u korelisanosti ova dva signala. Ako na glavusluaoca nailazi vie talasa iz raznih pravaca, kao to je to sluaj u prostorijama,korelacija ovih signala postaje sloena funkcija odziva prostorije, a korelisanost izmeusignala na levom i desnom uvu se smanjuje. Najmanja korelisanost ova dva signala je upotpuno difuznom polju, kada su svi pravci nailaska zvune energije na glavu sluaocajednako verovatni.

Posmatrano sa aspekta zvune slike, subjektivni utisak da zvuk ne dolazi iz jednetake ve iz neodreenog pravca direktno je srazmeran sa korelisanou signala nalevom i desnom uvu. U sluaju da su oni potpuno nekorelisani, dobija se utisak kao dazvuk dolazi sa svih strana. To je, na primer, u izvesnom smislu poeljna osobina u

koncertnim salama, gde se tei oseanju da zvuk dolazi iz

itavog prostora, a ne samosa bine.

Korelisanosti signala u levom u desnom uvu je predmet akustikih merenja uprostorima za ivo izvoenje muzike bez upotrebe sistema za ozvuavanje. to je takorelisanost manja, to je prostor bolji sa aspekta subjektivnog doivljaja. Za ovakvaakustika merenja koristi se vetaka glava (videti poglavlje 6). Korelisanost signala ulevom i desnom uvu se izraava pomou parametra koji se naziva interauralnikroskorelacioni koeficijent (cross-correlation coefficient- IACC). U literaturi suustanovljeni estetski kriterijumi za poeljne vrednosti IACC u koncertnim salama, ak i uzavisnosti od vrste muzike koja se izvodi.

Eksperimenti pomou vetake glave pokazali su da oblik une koljke znaajnopomae u lokalizaciji pravca. U eksperimentima opisanim u literaturi koriena je mreazvunika postavljena u anehoinoj prostoriji, to je omoguavalo da se generiu razliitipravci nailaska zvuka. U takvim uslovima subjekti su imali zadatak da definiu zvunikiz koga je dolazio zvuk, odnosno poloaj zvunog izvora u prostoru. Osim neposrednogsluanja, vreno je snimanje sa vetakom glavom na kojoj su menjane kopije formiunih koljki svih subjekata, koji su posle presluavali tako napravljene snimke.Preciznost odreivanja pravca kod subjekata bila je ista pri neposrednom sluanju isluanju binauralnog snimka kada je on napravljen glavom na kojoj je bio otisaksopstvenog uva. Meutim, pokazalo se da su neki subjekti bolje odrerivali pravac satuim unim koljkama nego sa svojim. To pokazuje da nemaju svi ljudi iste

sposobnosti, i da je to posledica fizikih formi spoljanjeg uva. To takoe pokazuje optiznaaj geometrije spoljanjeg uva i objanjava injenicu da ivotinje imaju boljesposobnosti odreivanja pravca dolaska zvuka od oveka.


28/36


Prostorna rezolucija

Mehanizam binauralnog sluanja kod oveka, pre svega nain na koji su uipostavljene u odnosu na glavu, prilagoen je percepciji u horizontalnoj ravni. Realno je

pretpostaviti da je to prirodna posledica evolucije, jer se gotovo svi zvuni izvori za kojeje ovek zainteresovan nalaze uglavnom na zemlji, odnosno u jednoj vrlo uskoj zoni uodnosu na horizontalnu ravan. U medijalnoj ravni ljudske sposobnost percepcije pravcasu znaajno manje, razlog tome je vertikalna simetrija glave.

Rezultati merenja tanosti, odnosno rezolucije sa kojim ulo sluha moe odreditipravac nailaska zvuka pokazuju da ta sposobnost znaajno varira u funkciji spektralnogsadraja zvuka (irokopojasni ili uskopojasni spektar), njegovih dinamikih svojstava(kontinualni zvuk ili kratkotrajnu udari), a takoe i od injenice da li je zvuk poznatsluaocu od ranije ili ne. Zbog toga svaki prikaz rezolucije u odreivanju pravca nailaskazvuka podrazumeva i napomenu o vrsti zvukova na koji se odnosi.

Sposobnost rezolucije po pravcima uobiajeno se opisuje nepreciznouodreivanja ugaonog poloaja izvora zvuka u prostoru (engleski: blur). Ta nepreciznostse meri ispitivanjem na veoj grupi subjekata kojim se iz zvunika, koji je zaklonjen i ijitaan poloaj ne mogu da vide, reprodukuje zvuk. Od subjekata se zahteva da procenepravac iz koga nailazi taj zvuk. Rezultat se iskazuje statistikim pokazateljima njihovihodgovora: srednja vrednost i granine vrednosti na skupu svih dobijenih odgovora.Ovakva merenja su vrena za zvune izvore u horizontalnoj i medijalnoj ravni.

Na slikama 2.20 i 2.21 prikazan je rezultat merenja nepreciznosti lokalizacije kadase slua govor poznatog govornika. Za pozicije zvunih izvora u horizontalnoj ravni (slika2.20) pri azimutu 0o, 90o i 180o prikazani su opsezi pojedinanih odgovora i njihovasrednja vrednost. Vidi se da je najvea preciznost ula sluha pri azimutu 0o, gde je

tanost odreivanja pravca priblino 3,5o

. Za boni poloaj zvunog izvora (azimut 90o

)tanost je najmanja, sa grekom od ak 9o. Uz to, u ovom sluaju oseaj poloajazvunog izvora je pomeren unapred u odnosu na njegov stvarni poloaj. Na slici 2.21prikazan je rezultat merenja nepreciznosti u medijalnoj ravni za elevaciju 36o. Vidi se daje tada preciznost odreivanja pravca dolaska zvuka znaajno loija u odnosu nahorizontalnu ravan. Za sluaj kada je zvuni izvor neposredno iznad sluoca, dakle zaelevaciju 90o, preciznost odreivanja pravca je jo manja.

f=180o f=0

o

81oE9

o

0oE3,5

o180

oE5,5

o

Slika 2.20 - Nepreciznost odreivanjapoloaja zvunog izvora u

horizontalnoj ravni kada je glavasluaoca fiksirana. Oznaeni susrednja vrednost (krui) i opseg

rasturanja doivljaja pravca ispitanihsubjekata (deblja linija).


29/36


0oE9

of=0

o

d=0o

30oE10

o

27oE15

o

f=180o

d=0o

Slika 2.21 - Nepreciznost odreivanjapoloaja zvunog izvora u medijalnojravni kada je glava sluaoca fiksirana.

Svi prikazani rezultati odnose se na sluaj kada je glava sluaoca nepomina. Uz

pokretanje glave pri sluanju lokalizacija zvunog izvora u prostoru znaajno sepopravlja. Poznato je da ovek instinktivno okree glavu u okolnostima kada ne moe daodredi pravac iz koga dolazi zvuk. Uz pokretanje glave u raznim pravcima moe sedostii relativno velika preciznost lokalizacije zvunog izvora, ali to zahteva vremepotrebno da se izvede serija odgovarajuih pokreta glavom.

Eksperimenti pokazuju da za signale iji je spektar veoma uzak prestajemogunost lokalizacija izvora u medijalnoj ravni. Postoje podaci ta se ta pojava javlja akoje spektar akustikog signala ui od 2/3 oktave. U tim okolnostima doivljaj pozicijeizvora u vertikalnoj ravni zavisi samo od frekvencije zvuka, a ne od pozicije zvunogizvora.

2.8 Neki uticaji osobina ula sluha na audio tehnologiju

ulo sluha predstavlja zavretak audio sistema i zbog toga je osnovno merilokvaliteta njegovog rada. U tom smislu su neke od opisanih karakteristika ula sluha imaleugraene u oblast tehnologije audio sistema. U nastavku e biti ukratko opisani neki odprimera preslikavanja osobina ula sluha u domen audiotehnike.

Kompresija audio signala

Krive maskiranja su jedna od vanih injenica u audiotehnici zbog toga to procesmaskiranja onemoguava percepciju zvunih informacije koje se javljaju ispod njih. Zbogtoga se krive maskiranja u vidu tabela nalaze ugraene u dananje algoritme zakompresiju audio signala. Sve komponente signala za koje se nakon spektralne analizeutvrdi da su za sluaoca ispod trenutne krive maskiranja, ne koduje se. Time sesmanjuje broj potrebnih bita za predstavljanje audio signala, koji je prilagoen ukupnomteorijski najveem moguem dinamikom ospegu.

Na principima eliminacije maskiranih komponenti zasniva se poetni nivo u

procesu rada danas primenjivanih algoritama za kompresiju audio signala (AC3, MPEG).Naravno da maskiranje nije njihov jedini element ve su ugraene i druge procedure, alije pronalaenje i eliminacija delova signala koji se ne uju usled efekta maskiranja jedanod osnovnih koraka.


30/36


Optimalni nivo sluanja reprodukovanog zvuka

Nelinearnost osetljivosti ula sluha preciznije definisana dijagramom izofonskihkrivih (slika 2.10) stvara niz praktinih problema pri podeavanju nivoa zvuka u

sistemima za reprodukciju zvuka. Najvea linearnost, ako se o linearnosti uopte moegovoriti, je u oblasti 80-100 dB.

To je razlog zato su uvedene norme za nivoe sluanja pri reprodukciji zvuka.Utvrene su vrednosti nivoa zvuka koje treba ostvariti pri srednjim nivoima audio signala.Uobiajeno je da te vrednosti budu neto preko 80 dB. Na primer, preporuka firme Dolbyza podeavanje sistema za reprodukciju u formatu 5.1 utvruje referentni nivo zvuka85 dB. Ove vrednosti dalje imaju implikacije i na hedrum u sistemu, ali se prvenstvenoodreuju prema zahtevima ula sluha.

Frekvencijske korekcije pri niskim nivoima sluanja

Smanjenje nivoa zvuka pri reprodukciji ispod referentnih vrednosti za sluanje, toje uobiajen zahtev pri reprodukciji zvuka u stanovima, dovodi do subjektivno bregstiavanja komponenti na niskim frekvencijama. Sa dijagrama izofonskih linija (slika2.10) moe se videti da pri niskim nivoima sluanja najnie spektralne komponente mogulako sii ispod granice ujnosti.

Zbog toga je za sluanje tiho reprodukovane muzike na mnogim kunimureajima za reprodukciju zvuka uvedena posebna frekvencijska korekcija. Oznaena jenazivom laudnes (loudnes). Njenim ukljuivanjem signal se proputa kroz filtar koji vriizdizanje niskih vrekvencija, u skladu sa oblikom niih izofonskih linija. Time se pri tihoj

reprodukciji omoguava percepcija spektralnih komponenti muzike na niskimfrekvencijama, koje bi u takvim okolnostima pale ispod granice ujnosti. Jasno je daukljuivanje ove korekcije u okolnostima kada se sluanje vri pri normalnim nivoimazvuka predstavlja izoblienje koje podrazumeva prekomerno izdizanje niskih frekvencija.

Merenje nivoa sopstvenog uma u audio sistemu

Nelinearnost osetljivosti ula sluha, osim u oblasti reprodukcije zvuka, odrava sei na procedure merenja nivoa audio signala, ako se merenje vri radi ocene stanja jainezvuka. Jedan takva direktna posledica nelinearnosti ula sluha je i uvoenje A filtra u

merni lanac pri merenju nivoa buke u ivotnoj i radnoj sredini. Karakteristika A filtra jeprikazana na slici 2.22. Njen oblik je izveden iz oblika obrnute izofonske linije 40 fona, uzpojednostavljenja i korekcije radi lake izvodljivosti filtarskog kola pasivnim elementima.Rezultat merenja sa ovakvim frekvencijskim ponderisanjem izraava se u dBA (ita sedecibeli A).

Filtarsko kolo sa A karakteristikom koristi se, osim za merenje buke, i zamerenje nivoa sopstvenog uma pojedinih audio ureaja ili sistema u celini. injenica dapojedine spektralne komponente generisanog uma nemaju za ljudsko uvo isti znaajuinila je da se i sopstveni um u sistemu utvruje uz frekvencijsko ponderisanje ovimfiltrom. Na primer, izraavanje sopstvenog uma mikrofona u katalokim podacimaiskazuje se u dBA umesto linearno merenim nivoom u dB.

Osim A filtra u pojedinim okolnostima koriste se i drugi oblici frekvencijskogponderisanja. Tako je Meunarodna unija za telekomunikacije - ITU utvrdila svojuteinsku krivu za merenje uma u audio delu radiodifuznih sistema. Njen oblik je


31/36


prikazan na slici 2.23. Vidi se da postoji isti princip relativnog potiskivanjaniskofrekventnih komponenti u skladu sa smanjenom osetljivosti ula sluha u toj oblasti.

20 100 1000 10000-50

-40

-30

-20

-10

0

10

relativninivo(dB)

frekvencija (Hz)

Slika 2.22 - Dijagram Akarakteristike za merenje

buke

100 1000 10000-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

nivo(dB)

frekvencija (Hz)

Slika 2.23 - Dijagram tenskekrive za merenja uma uaudio sistemima (prema

preporukama Meunarodneunije za telekomunikacije -

ITU)

Sistemi za prostornu reprodukciju zvuka pomou slualica

Poznavanje mehanizma binauralnog sluanja i HRTF u svim njenim detaljima

omoguilo je dizajniranje sistema za surround reprodukciju pomou slualica. Bankaprenosnih funkcija za razne vrednosti azimuta omoguava da se filtriranjem ostvaripromena u signalu koja odgovara situaciji kada zvuk nailazi na glavu sluaoca iz nekog


32/36


definisanog pravca. Uslov za to je, naravno, procesor koji moe u realnom vremenu daradi konvoluciju audio signala sa memorisanim odzivima HRTF filtara.

Ovakva reprodukcija je podeena prema nekoj prosenoj, standardnoj glavi, jersu banke HRTF filtara uglavnom snimane za vetakom glavom. Preciznost prostornedimenzije zvune slike dobijene takvom reprodukcijom zavisi od toga koliko se glavasluaoca razlikuje od primenjene vetake glave. I pored svih svojih nesavrenosti,

ovakav pristup prostornoj reprodukciji sve vie se koristi u tehnologiji multimedija.

2.9 Osnovni psihoakustiki pojmovi

Ranije je pokazano da se zvuna slika kao izlaz audio sistema nalazi u domenupsihologije. Zbog toga se ocenjivanje njenog kvaliteta, a to znai i ukupnog rezultatasvakog konkretnog poduhvata sa audio sistemima, vri u okviru prostora ije dimenzije

nisu sasvim egzaktne. U pokuaju da se inenjerski analizira izlaz iz audio sistemapostoji problem koji je ematski ilustrovan na slici 2.24. Zvuna slika postoji samo u svestsluaoca, a dostupan je samo njen opis koji slualac moe dati. Zbog toga se u testiranjuprenosa kroz audio sistem pojavljuje jo jedna karika u prenosu, u kojoj se vri opisivanjeonoga to se uje.

procespercepcije

procesopisivanja

zvucna slika

fizickapobuda

opiszvucneslike

SLUALAC

Slika 2.24 - Blok ema uz

objanjenje dostupnostizvune slike.

U takvim okolnostima bilo je neophodno de se uvedu konvencije u kojima bi seblie definisale procedure i, po mogunosti, standardizovale kategorije u kojima seopisuje zvuna slika. Poznavanje tih konvencija dovodi do pojma kvalifikovanogsluaoca, to podrazumeva poznavanje konvencija i uvebanost u njihovoj primeni.

Standardizacija kategorija u kojima se opisuje zvuna slika uvela je skale kvalitetapojedinih dimenzija zvune slike. One su definisane prema mogunostima da se utvrdeekstremi na skali i nekakva gruba podela kvaliteta u rasponu izmeu njih. S obzirom napsiholoku prirodu zvune slike, ekstremumi u pojedinim kategorijama se definiu uokviru pojmova kao to su tvre - meke, svetlije - tamnije, punije - tanje, itd. Dimenzijezvune slike spadaju u oblast akustike koja se naziva psihoakustika. Ona ima posebnomesto u audiotehnici jer se bavi psiholokim reakcijama na objektivnu zvunu pobudu.

O dimenzijama u kojima se posmatra zvuna slika reprodukovanog zvuka moguse dobiti relativno precizna objanjenja samo pomou posebno pripremljenih snimaka saodgovarajuim primerima. Naime, njih je gotovo nemogue objasniti tekstualnim opisomjer se moraju zasnivati na izvesnom slunom iskustvu. Tek nakon edukacije sluanjemsnimaka sa odabranim primerima, uz adekvatna pratea objanjenja, mogue je vritipouzdanije ocenjivati zvune slike tokom sluanja reprodukcije nekog zvunogmaterijala. Za te namene postoje posebni kompleti odabranih kolskih snimaka koji se


33/36


koriste u edukaciji snimatelja zvuka, a mogu posluiti i za obuku drugih slualacazainteresovanih za sagledavanje kvalitativnih dimenzija zvune slike.

Percepcija zvuka kao proces preslikavanja

Kada se ovek nalazi u zvunom polju njegov proces sluanja ne prepoznajepojedinane fizike dimenzije, na primer frekvenciju, ve ima sliku o visini tona, neprepoznaje nivo zvuka ve ga doivljava kao jainu. Takoe ne poznaje pojamspektralne karakteristike zvuka ve je doivljva kao boju zvuka. Na slian nain se iprostornim dimenzijama zvunog polja moe odrediti ekvivalent u njihovom subjektivnomdoivljaju. ak se i vreme ne prenosi uvek u svest sluaoca sasvim linearno, vesubjektivni utisak o trajanju zvukova moe biti razliit od realnosti. Tako skup raznihdimenzija iz fizikog sveta, u okviru kojih se javljaju fizike razlike izmeu zvukova kojeovek slua, kroz procese u sistemu ula sluha sa slike 2.1 dobijaju svoj ekvivalent uodgovarajuim subjektivnim dimenzijama iz skupa veliina koji odreuju kvalitet zvuneslike.

Sagledavajui proces sluanja na takav nain, percepcija zvunog polja kaofizike pojave koje deluje na ulo sluha moe se shvatiti kao nekakav procespreslikavanja. To je simbolino prikazano na slici 2.25. Prostor zvunog polja X jeviedimenzionalni domen koji je predstavljen skalama vrednosti brojnih fizikih veliinakojim se opisuje sloeno zvuno polje, kao to su frekvencija, nivo. spektralni sadraj,vreme uspostavljanja i nestajanja zvunih komponenti, pravci nailaska pojedinihkomponenti zvuka, itd. Subjektivni prostor zvune slike Q sastoji se od skupasubjektivnih veliina koje, iako nisu fiziki samerljive, mogu se kvantifikovati naodgovarajuim skalama vrednosti definisanim izmeu dve prepoznatljive krajnosti.Proces sluanja predstavlja proces preslikavanja iz viedimenzionalnog fizikog prostora

zvunog polja u viedimenzionalni subjektivni prostor zvu

ne slike.

X Q

g

fizicki (objektivni)prostor zvucnog polja

auditorni (subjektivni)prostor zvucne slike

g-1

Slika 2.25 - Ilustracijapreslikavanja fizikih osobina

zvunog polja u subjektivneparametre zvune slike.

Veliki istraivaki napori se ine da se definiu sve dimenzije u oba prostoraizmeu kojih postoji neko preslikavanje. U fizikom domenu, osim osnovnih fizikihveliina, definisani su brojni parametri izvedeni iz impulsnog odzova prostora koji imajuprepoznatljivo preslikavanje u neke subjektivne karakteristike zvune slike. Posebnodelikatnu temu predstavlja funkcija preslikavanjag. Moe se rei da stanje nauke danas

jo nema potpune stavove o ovoj funkciji, osim za jednostavnije sluajeve zvunihpobuda. Zbog toga se ine ozbiljni napori i veliki broj istraivaa radi na detaljnijemsagledavanju ovoga preslikavanja.


34/36


Posebno je interesantna tema inverzna funkcija g-1. Njeno poznavaje jeinteresantno kada se trai kreiranje virtuelnih prostora u oblasti multimedija ili uprojektovanju koncertnih sala. To su okolnosti kada postoji manje ili vie jasan stav otome kakva treba da bude zvuna slika. Inenjerski problem je materijalizacija zvunogpolja koje e ostvariti zadatu zvunu sliku. Moe se rei da je poznavanje te inverznefunkcije jedna od najatraktivnijih istraivakih tema danas, s obzirom na ekspanzijuzahteva u domenu elektronskih igara, zvune slike na filmu, dizajniranja koncertnih sala islino. Ipak, ini se da je potpuni odgovor jo uvek veoma daleko.

Proces preslikavanja fizikih dimenzija zvunog polja na subjektivne dimenzijezvune slike, i obrnuto, predstavlja veoma sloenu temu. ak i utvrivanje spiskafizikih dimenzija zvunog polja koje imaju svoj ekvivalent u dimenzijama zvune slikenije do kraja definisano.

Kao mala ilustracija ovoga moe se navesti da je subjektivni oseaj prostornosti,koji slualac moe u nekim okolnostima stei u okviru celovite zvune slike, funkcijakorelacije izmeu signala, odnosno zvunih pritisaka, koji deluju na levo i desno uvo.

to je njihova meusobna korelisanost manja, to jest to se oni vie razlikuju po svojimstatistikim osobinama, to je subjektivni oseaj prostora intenzivniji. Ovaj primerpokazuje da nije sasvim jednostavno utvrditi koje se sve fizike osobine zvukapreslikavaju u subjektivni prostor zvune slike. To nije samo intenzitet i spektralnisadraj, ve i sloeniji parametri zvunog polja.

Dimenzije zvune slike

O kvalitetu zvune slike se u praksi moe govoriti sa dva aspekta. Prvi aspekt je

kvalitet zvune slike koju slualac dobija neposrednim sluanjem u zvunom polju kojestvara neki originalni zvuni izvor ili grupa izvora. To je tema koja se javlja pri ocenikvaliteta koncertnih sala i slinih prostora za sluanje uivo izvoene muzike i govora.Drugi aspekt je kvalitet zvune slike koju dobija slualac na kraju lanca prenosa,odnosno pri sluanju na izlazu iz audio sistema reprodukciju pomou zvunika.

Ocena kvaliteta zvune slike je, naravno, bez ikakve potpore matematikogmodelovanja zato to ona proizilazi iz subjektivnog stava kvalifikovanog sluaoca. Uuslovima kada su dimenzije kvaliteta neegzaktne, uz svo prethodno usaglaavanjestavova ocenjivaa na nizu edukativnih primera, manje individualne razlike u ocenamaod sluaoca do sluaoca su neminovne. Jedina objektivizacija moe se postii statistiki,to znai ocenjivanjem uz uee vie kvalifikovanih slualaca, a statistika obrada

njihovih odgovora daje srednji stav o oceni zvune slike. Naravno, uvebani ocenjivaie se u najveem broju okolnosti slagati u ocenama, pa su razlike mogue samo u nekimdelikatnijim sluajevima.

Subjektivne estetske preference

Zvuna slika koju dobija slualac pri sluanju neposrednog muzikog izvoenja unekom prostoru ocenjuje se prema estetskim zahtevima koje ovek ima u tom domenu.Postoje jasni estetski stavovi koji omoguavaju da se izmeu dve zvune slike ostvareneistim pobudnim signalom odabere subjektivno poeljnija. Poto je utisak sluaocafunkcija fizikih parametara zvunog polja, zahtevi u pogledu estetike zvuka stvarajutakozvane subjektivne preference, to znai poeljne vrednosti pojedinih komponentiakustikog odziva prostora. Tako se pitanje estetike zvune slike, odnosno subjektivnih


35/36


preferenci, svodi na skup zahteva koje treba da zadovoljava impulsni odziv prostora ukome se zajedno nalaze izvor muzikog zvuka, odnosno muziari sa njihoviminstrumentima, i slualac. Ovo se ne odnosi na okolnosti sluanja muzike reprodukovanepreko zvunikih sistema jer se subjektivne preference u takvim okolnostimazadovoljavaju pri pravljenju snimaka, to jest ugraene su u audio signal koji seisporuuje sluaocu, a ne na mestu sluanja.

Istraivanja su pokazala da se za ostvarivanje kvaliteta zvune slike potrebnozadovoljiti sledee zahteve u pogledu odziva prostora:

- subjektivno poeljan nivo zvuka- subjektivno poeljno vreme reverberacije- subjektivno poeljan poetni vremenski dep u odzivu- subjektivno poeljna korelisanost signala levog i desnog uva,- subjektivno poeljne pravce nailaska prvih refleksija.

U okviru akustikog projektovanja prostora za muzika izvoenja inenjerski rad jeusmeren na formiranje fizikog okruenja u kome e karakteristika zvunog poljazadovoljavati sve navedene subjektivne preference.

Standardne dimenzije kvaliteta reprodukovanog zvuka

Meusobno nezavisne dimenzije kvaliteta zvune slike uobiajeno su utvrivanena nivou profesionalnih asocijacija snimatelja zvuka i audio inenjera zbog potrebe da seujednae kriterijumi vrednovanja muzikih i drugih snimaka. U tom domenu mogue suizvesne male razlike u pristupu i nainu definisanja pojedinih parametara u pojedinimsredinama, jer se ipak radi o subjektivnim kategorijama.

Kao ilustracija dimenzija kvaliteta zvune slike m

audiotehnika tema 2

Documents