Fyzikální akustika Fyziologická akustika PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Luděk Bártek Fakulta Informatiky Masarykova Univerzita Brno podzim 2014 Uvod do počítačového zpracování ř Fyzikální akustika Fyziologická akustika Obsah Q Fyzikální akustika Ql Fyziologická akustika Fyzikální akustika Fyziologická akustika Základy fyzikální akustiky • Zvuk je fyzikální vlnění: • kmitavý pohyb molekul • mechanické vlnění látkového prostředí vyvolávající sluchový vjem. • Zvuk je charakterizován: • frekvencí • amplitudou. Uvod do počítačového zpracování ř Frekvence Fyzikální akustika Fyziologická akustika • Perioda (T) - nejkratší doba, kterou tělesu trvá průchod stejnou fází pohybu. • Frekvence - f = y • Jednotka - Hz • 1 Hz — 1 perioda za sekundu Uvod do počítačového zpracování ř Fyzikální akustika Fyziologická akustika Rychlost zvuku • Závisí na prostředí a řadě dalších fyzikálních faktorů: • teplota tlak • Rychlost zvuku v různých prostředích: • vzduch (13,4 stupňů) - 340 m/s • voda (25 stupňů) - 1500 m/s • rtut - 1400 m/s • beton - 1700 m/s • led - 3200 m/s • ocel - 5000 m/s • sklo - 5200 m/s Uvod do počítačového zpracován Fyzikální akustika Fyziologická akustika Hmotný bod na nehmotné pružině • Zanedbáváme: • odpor prostředí • gravitaci • ... • Základní veličiny: • amplituda - maximální hodnota výchylky dané periodické veličiny (ymax) • perioda (T) - doba trvání jednoho opakování daného jevu. Měří se v sekundách • frekvence - F — y [Hz]. • okamžitá výchylka - y — ymaxsin(ujt) • u) - úhlová rychlost periodického jevu cj = 2i = 2tvF [s~" t - čas Fyzikální akustika Fyziologická akustika Perioda a amplituda Luděk Bártek Uvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika Vlastní a vynucené kmity, rezonance Vlastní kmity - jsou kmity soustav bez působení vnějších sil. Vnější kmity - vynuceny vnějším prostředím systému (buzením). Rezonance - fyzikální jev, malá budící síla může způsobit značné změny kmitajícího systému. S m 2b, Li -b2 2mbuj • Ar - rezonanční amplituda • S - amplituda budící síly • m - hmotnost kmitajícího tělesa • b - tlumení kmitající soustavy (řádově menší než omega) • lú - úhlová rychlost tlumených kmitů Uvod do počítačového zpracování ř Fyzikální akustika Fyziologická akustika Akustický tlak a akustická intenzita • Akustická intenzita: • množství energie, které projde jednotkovou plochou za jednotku času - jednotka WrrT2 • P - tlak, S - plocha '-i • Akustický tlak - síla působící na element plochy v prostředí vlnivého děje (jednotka Pascal [Pa]) • zvuk — zhuštování a zřeďování pružného prostředí =>• akustický tlak odpovídá vyvolaným změnám tlaku prostředí. • má-li sinusový průběh: p = p0sin(ujt) Po - maximální akustický tlak v průběhu periody • Akustická intenzita je úměrná druhé mocnině akustického tlaku. Uvod do počítačového zpracování ř Fyzikální akustika Fyziologická akustika Akustická intenzita (2.) • Práh citlivosti (slyšení) - /0 = 10 - 121/1/m"2 « 20/xPa. • Práh bolesti - 1 \NrrT2 k. 130 Pa. • Intenzita není vnímána lineárně (lineární nárůst vnímané intenzity odpovídá geometrickému nárůstu intenzity) • Weber-Fechnerův psychofyzikální zákon • Hladina intenzity (hlasitost) zvuku L L = 10/og(—)2 = 20 log— Po Po • Jednotka 1 Bel (1B) - rozsah hladin cca 13 Belů Uvod do počítačového zpracování ř Fyzikální akustika Fyziologická akustika Akustická intenzita Orientační hodnoty: šepot - 10 — 20 d B tlumený hovor - 35 — 45 dB hovor střední hlasitosti - 50 — 55 dB symfonický orchestr - 70 — 90 d B rocková hudba - 110 — 130 d B vzlet proudového letadla ~ 190 dB • Subjektivní vnímání akustické intenzity závisí na frekvenci. Uvod do počítačového zpracování ř Fyzikální akustika Fyziologická akustika Základní a složený tón • Základní tón - zvukovou intenzitou v závislosti na čase odpovídá sinusoidě • Složený tón - lineární kombinace základních tónů • většina zvuků Uvod do počítačového zpracován Reálný zvuk Fyzikální akustika Fyziologická akustika V Uvod do počítačového zpracován Fyzikální akustika Fyziologická akustika Akustické spektrum zvuku Reálné zvuky: • Jedná se většinou složené tóny. • Složeny ze základních tónů. • Lze je rozložit na jednotlivé složky - akustické spektrum • K získání frekvenčních charakteristik lze využít např Fourierovu transformaci, lineární predikci, ... Uvod do počítačového zpracován Fyzikální akustika Fyziologická akustika Fourierovy řady Necht f(x) je periodická, po částech spojitá funkce s periodou T, která ma na intervalu T nejvýše spočetně mnoho extrémů a bodů nespojitosti, potom ji lze aproximovat pomocí vztahu: f(x) = -y + ^2(ak cos(kx) + bk sin(kx)) k=l Nej lepší aproximace vychází pro: • a, a + T - interval periodicity funkce f(x). 2 ra+T a k = — f(x)cos(ku}x)dx ' J a 2 ra+T bk = — f(x)sin(ku}x)dx ' J a 2tt U = T Luděk Bártek PB095 - Uvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika I Fyziologická akustika I Základy fyziologické akustiky • Mechanismus vytváření řeči • Mechanismus vnímání řeči • Helmholtzova rezonanční teorie • G. Bekesy - Nobelova cena za fyziologii a medicínu za výzkum funkce cochlei(3. 6. 1899, Budapest - 13. 6. 1972, Honolulu) • Helmholtzův rezonátor Luděk Bártek PB095 - Uvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika Mechanismus vytváření řeči • Řeč vytváří hlasové ústrojí: • v hrtanu - hlasivky. • Hlasivky vytváří úzkou hlasovou štěrbinu - vzduch je při průchodu rozkmitá. • Frekvence kmitání hlasivek - základní hlasivkový tón. • Zvuk vzniklý v hrtanu (s výjimkou např. sykavek) je modifikován v rezonančních dutinách (obdoba Helmholtzova rezonátoru). • Rezonanční dutiny: • hrtanové • ústní • nosohltanové. Uvod do počítačového zpracován Fyzikální akustika Fyziologická akustika Hlasové ústrojí - schéma hlasivek Fyzikální akustika Fyziologická akustika Hlasové ústrojí - činnost Voc?_l cord$ vocal cůrds abductíd adductecf to broatnc to speak • Pří dýchání jsou hlasivky rozevřeny. • Při řeči se dutina zužuje a proudící vzduch je rozechvívá, tím se vytváří základní hlasivkový tón, ten je dále modifikován v hlasových dutinách: • hrtanové • nosohltanové • ústní Uvod do počítačového zpracování ř Fyzikální akustika Fyziologická akustika Vnímání zvuku • Sluchový orgán: • ušní boltec - zachycuje a koncentruje zvukovou energii • zvukovod - vede zachycenou energii k bubínku • ušní bubínek - rezonancí rozkmitán a přenáší vlnění na kůstky středního ucha: • kladívko • kovadlinka • třmínek • Eustachova trubice • vede ze středního ucha do dutiny ústní • slouží k vyrovnávání případných přetlaků (brání poškození středního a vnitřního ucha) • oválné okénko - jemná membrána tvořící rozhraní mezi středním a vnitřním uchem • hlemýžď (Cochlea) • součást vnitřního ucha • ústrojí ve tvaru ulity hlemýždě Luděk Bártek PB095 - Uvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika Sluchový orgán (1.) Luděk Bártek Fyzikální akustika Fyziologická akustika Vnímání zvuku (2.) • Hlemýžď (Cochlea) • součást vnitřního ucha • ústrojí ve tvaru ulity hlemýždě • naplněno vodnatým mokem • obsahuje Cortiho ústrojí » Cortiho ústrojí: • obsahuje cca 20 000 vlákének • jejich délka od cca 40 /im do 0,5 mm • rezonují s jednotlivými tóny ve zvuku » vlákénka jsou připojena na nervová zakončení, která slouží k přenosu informací o jednotlivých složkách zvuku do mozku. Uvod do počítačového zpracování ř Fyzikální akustika 1 Fyziologická akustika 1 Zpracování zvul (u v mozku • Řečové centrum v mozku I Wernicke's area Auditory projection Fyzikální akustika Fyziologická akustika Zpracování zvuku v mozku Dokončení • Brocova oblast: • obsahuje artikulační vzorce - sekvence zapojení jednotlivých svalů potřebných k vyslovení slova. • Brocova expresivní, motorická - afázie - rozumí řeči, má problémy s výslovností: • vynechávání slov • telegrafická kvalita řeči • řeč je kostrbatá • ... • Wernickeho oblast o obsahuje sluchové vzorce a významy slov