Ljudets fysik och psykoakustik Vad är ljud? Hur uppfattar örat ljud? Hur tolkar hjärnan ljud?

Ljudvågor Ljud uppstår när något vibrerar – lufttryck Högtalarmembran Förtätning Förtunning När ett membran rör sig framåt komprimeras luften framför och luften bakom tunnas ut. Vice versa när membranet svänger åt andra hållet Sprider sig som vågor Varje luftmolekyl förflyttar sig inget, den bara svänger Ritas oftast som kurvor, trots att inget rör sig ”uppåt och neråt”

Ljudvågor Ljudvågens egenskaper: Amplitud Frekvens Våglängd Fas

Frekvens Antalet svängningar per sekund Anges i Hertz (Hz) En period – tiden för en svängning 5 Hz En period (0,2 s) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Tid (s)

Frekvens Vi kan höra 20-20000 Hz Under 20 Hz – infraljud Försämras med åldern Unga barn kan höra upp till 23 kHz Över 60 år hör man sällan över 8 kHz Under 20 Hz – infraljud Vi känner ofta vibrationerna Över 20 kHz – ultraljud

Ljudvågor

Våglängd Ljudet breder ut sig med ljudets hastighet Beroende av medium Material, temperatur mm Ca 340 m/s i luft, rumstemperatur Ex. f =100 Hz, l = 3,4 m Våglängd (m)

Fas Fas har betydelse då två signaler adderas Lägg ihop värdena i varje tidpunkt Fas – signalen är förskjuten i tid Två likadana signaler med motsatt fas släcker ut varandra + + = =

Frekvensinnehåll En enda ton (sinusvåg) Fördubbling av frekvensen – en oktav Amplitud = Frekvens Tidsplan Frekvensplan 220 Hz 440 Hz 880 Hz

Frekvensinnehåll Ljud innehåller oftast flera frekvenser Alla ljud kan skapas genom att addera sinustoner Amplitud + 440 880 Frekvens = 440 + 880 Hz 440 Hz

Tonhöjd och klang Harmoniska övertoner – multiplar av grundtonen Komplext ljud, t ex ett instrument Grundton + harmoniska övertoner Olika instrument har olika frekvensinnehåll – Klangfärg Vi uppfattar grundfrekvensen som tonhöjden

Klangfärg Gitarr Klarinett Människa Tid Frekvens

Tonhöjd Upplevda tonhöjden är dock inte automatiskt ”lägsta frekvensen” Sågtandsvåg – grundton + alla övertoner I bägge fallen nedan upplevs grundfrekvensen Tid Frekvens Frekvens Sågtand 220 Hz Sågtand 220 Hz utan grundton

Klangförändring - EQ Vi kan förändra ljudets klangfärg utan att musiken förändras – equalization Dämpa vissa frekvenser Lågpassfilter – släpper bara igenom låga, dämpar höga Högpassfilter – vice versa Bandpassfilter – släpper igenom frekvenser inom ett visst frekvensområde Original Lågpass Högpass Bandpass <3400 Hz >200 Hz 200-3400 Hz (som en telefon)

Envelope (kontur) Inte bara klangfärg skiljer instrument Envelope – det dynamiska förloppet Anslag – stustain – avklingning Även klangfärgen påverkas – vissa frekvenser dör ut snabbare än andra Piano Gitarr Fiol

Amplitud Volym – SPL (Sound Pressure Level) Ljudtrycksnivå Förändrat tryck på trumhinnan Mäts som lufttryck, i bar Normalt lufttryck ca 1 bar Örat uppfattar skillnader på delar av en bar (mikro= miljondel) Små, små förändringar

Amplitud Hörselgränsen är förändringar på 0,0002 bar (2  10-10) Högsta gräns – smärtgräns – 0,2 mbar (milli=tusendel) (210-4) Skillnad 1:1 000 000 Hörseln är logaritmiskt

Logaritmisk skala Linjär Logaritmisk log(x), det man ska ”höja upp tio till” log(100)=2 (102), log(1000)=3 (103) osv

Decibel Decibel förkortas dB Tryckreferens är hörseltröskeln=0,0002 bar Dubbelt tryck – ökar 6 dB 20 dB – 10 gånger högre tryck Smärtgränsen är 120 dB Det är så örat uppfattar ljudnivån!

Decibel – olika ljud

Olika frekvenskänslighet Phon – den nivå ett ljud med viss frekvens måste ha för att upplevas som nivån för 1000 Hz

Olika frekvenskänslighet Allra känsligast vid 3400 Hz Klangen av ett instrument ändras beroende om man spelar högt eller lågt ”Loudness compensation” på vissa förstärkare Minst skillnader vid 85 dB – bästa volymen för ljudredigering Hemma spelas ofta musik kring 75-90 dB

Olika decibel Skillnader mellan vad man mäter Tryck eller spänning Effekt (Samband:)

”Förstärkardecibel” Ofta ser man på stereoanläggningar skalor där det högsta värdet är 0 dB, sedan bara negativa värden 0 dB – den högsta volymen anläggningen kan ge Denna används som referens! Samma princip – kvoten av lägre utsignaler relativt referensen ger negativa dB

Olika psykoakustiska fenomen Beats – örat kan inte separera två väldigt närliggande frekvenser Man hör snittfrekvensen och amplituden varierar som skillnaden mellan frekvenserna Utnyttjas när man stämmer stränginstrument 200 Hz 208 Hz 200 + 208 Hz (hörs 204 Hz, beat på 8 Hz)

Olika psykoakustiska fenomen Kombinationstoner – om frekvenser är separerade med minst 50 Hz kan man höra kombinationstoner f1 – f2 och f1 + f2 200 Hz 300 Hz 200 + 300 Hz (100 Hz) (500 Hz)

Olika psykoakustiska fenomen Maskning - en stark ton maskar över svagare toner med närliggande frekvenser T ex 4 kHz – svårt att höra svagare 3,5 kHz ton. Dock lätt att höra lika svag 1 kHz-ton. Gäller även övertoner – 1 kHz med 2 kHz överton – svårt att höra 1900 Hz 4000 Hz 1000 Hz 4000 + 0,1*1000 4000 Hz 3500 Hz 4000 + 0,1*3500

Akustik När en ljudvåg träffar en yta kommer en del energi att reflekteras, en del att absorberas eller släppas igenom Reflekteras med infallsvinkeln Absorption – energin omvandlas till värme Olika förhållanden beroende på material

Fler begrepp Diffusion Diffraktion Ljudvågorna reflekteras åt alla håll Diffraktion Ljudvågorna viker av runt vassa kanter eller smala öppningar, går ”runt hörn”

Rumsuppfattning Två öron ger stereomöjligheter – vi kan uppfatta vart ett ljud kommer ifrån Ett öra kan inte lokalisera en ljudkälla ordentligt Öronen och hjärnan analyserar skillnaden i intensitet mellan öronen skillnaden i ankomsttid – || – effekterna av ytterörat Kan även användas av ett öra (monolyssning) } höger/vänster fram/bak upp/ner

Rumsuppfattning Det uppstår en akustisk skugga för ena örat Ljudet måste reflekteras Förlorar intensitet Tar längre tid Låga frekvenser kan ”runda” huvudet (diffraktion), tar dock längre tid

Rumsuppfattning Stereohögtalare Utnyttjar intensitetskillnader till att placera ut instrument mellan högtalarna, panorering Om ljudkällan är lika stark i båda öronen – befinner sig rakt framför Surround – fler högtalare gör att ljudkällor kan placeras ut runtom i rummet

Rumsuppfattning Ljudet sprids åt alla håll från en ljudkälla Bara en liten del når lyssnaren direkt (direktljud) Resten studsar runt och reflekteras eller absorberas Olika frekvenser reflekteras olika, klangen ändras Reflekterat ljud anländer senare och från andra håll än direktljudet Direktljud – tidiga reflektioner – reverb

Rumsuppfattning

Rumsuppfattning Tidiga reflektioner – inom 50 ms Örat och hjärnan sammanfogar ljud inom ca 30 ms, allt tolkas som en och samma ljudkälla Reflektioner gör ljudet fylligare och ger en uppfattning om rummets storlek Större rum – tar längre tid att reflektera Litet rum/kyrkosal?

Rumsuppfattning Reverb – reflektioner som anländer efter 50 ms Kommer från alla möjliga håll Efterklangstid: RT60 – ljudnivån har sjunkit 60 dB Hjärnan använder reverbets tid och klang (oftast basfrekvenser som hänger kvar längst) för att uppfatta hårdheten på omgivande ytor Reverbets volym i förhållande till direktljud ger en uppfattning om avståndet till källan

Rumsuppfattning Direktljud – ger information om ljudkällans placering, storlek och klangfärg Tidiga reflektioner – ger information om rummets storlek Reverb – ger information om rummets ytor. Proportionen mellan reverb och direktljud ger uppfattning om avstånd

Ljudeffekter På konstgjord väg kan man ändra rummet som en inspelning ägt rum i Genom att lägga på distortion och begränsa bandbredden (frekvenserna) kan man t ex få rösten att verka komma ur en flygplansradio Talinspelning utan effekter Talinspelning med reverb Talinspelning med distortion Talinspelning med distortion och bandbreddsbegränsning

Stående vågor Strängar, rum, ja så gott som alla material har en viss egenfrekvens/resonansfrekvens Betrakta rummet som ett slutet rör, ljudet reflekteras fram och tillbaka mellan väggarna

Stående vågor Beroende på rumsdimensionerna förstärks vissa frekvenser, med våglängder som ”passar” i rummet /2  /3/2 2

Stående vågor Ex. ett rum med dimensionerna 3×6×2,5 m Grundtoner, /2: 1=3×2, 2=6×2, 3=2,5×2 Första överton, : 4=3, 5=6, 6=2,5 Frekvenser: f1=57 Hz, f2=28 Hz, f3=68 Hz f4=113 Hz, f5=57 Hz, f6=136 Hz OSV…

Stående vågor Försök se till att rummets dimensioner inte är multiplar av varandra

Lyssna! Tänk på hur omgivningen låter vid inspelningen Vi hör selektivt och kan urskilja ljud i störiga miljöer, vi tänker inte på störningarna Mikrofoner tar upp allt ljud Hörs inte förrän vid uppspelning Försök lyssna på inspelningen Jobbigt att spela in nytt ljud…