Ljudets fysik och psykoakustik

En presentation över ämnet: "Ljudets fysik och psykoakustik"— Presentationens avskrift:

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

2 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”

3 Ljudvågor Ljudvågens egenskaper: Amplitud Frekvens Våglängd Fas

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

5 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

6 Ljudvågor

7 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)

8 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 + + = =

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

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

11 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

12 Klangfärg Gitarr Klarinett Människa Tid Frekvens

13 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

14 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 Hz (som en telefon)

15 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

16 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

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

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

19 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!

20 Decibel – olika ljud

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

22 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 dB

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

24 ”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

25 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 Hz (hörs 204 Hz, beat på 8 Hz)

26 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 Hz (100 Hz) (500 Hz)

27 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 ,1*1000 4000 Hz 3500 Hz ,1*3500

28 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

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

30 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

31 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

32 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

33 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

34 Rumsuppfattning

35 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?

36 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

37 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

38 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

39 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

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

41 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…

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

43 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…