Fyzikální akustika PB095 - Uvod do počítačového zpracování reci Luděk Bártek Fakulta Informatiky Masarykova Univerzita Brno podzim 2019 Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika bsah Q Fyzikální akustika • Základní veličiny • Vlnění • Veličiny související s vnímánim zvuku • Základni tón, složený tón, spektrum • Spektrální analýza zvuku Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Základní veličiny Vlnění Fyzikální akustika Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Spektrálni analýza zvuku Základy fyzikálni akustiky a Zvuk je fyzikální vlnění: • kmitavý pohyb molekul • mechanické vlnění látkového prostředí vyvolávající sluchový vjem. • Zvuk je charakterizován: o frekvencí amplitudou. Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Frekvence Základní veličiny Vlnění Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Spektrální analýza zvuku • Perioda (T) - nejkratší doba, kterou tělesu trvá průchod stejnou fází pohybu. • Frekvence - f = j • Jednotka - Hz • 1 Hz = 1 perioda za sekundu Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Základní veličiny Vlnění Fyzikální akustika Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Spektrálni analýza zvuku Rychlost zvuku • Závisí na prostředí a řadě dalších fyzikálních faktoru: • teplota • tlak 9 ... • Rychlost zvuku v různých prostředích: o 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 o sklo - 5200 m/s Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Základní veličiny Vlnění Fyzikální akustika Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Spektrálni analýza zvuku Hmotný bod na nehmotné pružině • Zanedbáváme: • odpor prostředí • gravitaci 9 ... • Základní veličiny: • amplituda - maximální hodnota výchylky dané periodické veličiny (ymax) o perioda (T) - doba trvání jednoho opakování daného jevu. Měří se v sekundách o frekvence - F = j [Hz]. • okamžitá výchylka - y = ymaxSin(u)t) • oj - úhlová rychlost periodického jevu oj = = 2ttF [s_1] • t - čas Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Perioda a amplituda Základní veličiny Vlnění Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Spektrální analýza zvuku Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Tlumené kmity Základní veličiny Vlnění Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Spektrální analýza zvuku • Vznikají působením vnější síly, která působí proti vlnění. • např. odpor prostředí, ... • Způsobuje pozvolné zmenšování amplitudy kmitání. Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Základní veličiny Vlnění Fyzikální akustika Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Spektrálni analýza zvuku 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. 2byl<4 - b2 2mbuj • Ar - rezonanční amplituda • S - amplituda budící síly o m - hmotnost kmitajícího tělesa • b - tlumení kmitající soustavy (řádově menší než omega) • u - úhlová rychlost tlumených kmitů_ Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Základní veličiny Vlnění Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum ntenzita o Akustická intenzita: • množství energie, které projde jednotkovou plochou za jednotku času - jednotka Wirr2 • P - tlak, S - plocha • 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 = poSin(ujt) Po - maximální akustický tlak v průběhu periody • Akustická intenzita je úměrná druhé mocnině akustického tlaku. Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Základní veličiny Vlnění Fyzikální akustika Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Spektrálni analýza zvuku (2.) • Práh citlivosti (slyšení) - /0 = 10 - \ 2\Nnr2 « 20/iPa. • Práh bolesti -1 Wm~2 « 130 Pa. • Intenzita není vnímána lineárně (lineární nárůst vnímané intenzity odpovídá geometrickému nárůstu intenzity) • Weber-Fechnerův psychofyzikální zákon • Hladina intenzity (hlasitost) zvuku L L= 10toflf(—f = 20 log— Po Po • Jednotka 1 Bel (1B) - rozsah hladin cca 13 Belů Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Akustická intenzita Základní veličiny Vlnění Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Spektrální analýza zvuku • Orientační hodnoty: • šepot-10 — 20 dB • tlumený hovor - 35 — 45 dB • hovor střední hlasitosti - 50 — 55 dB • symfonický orchestr - 70 — 90 dB • rocková hudba - 110 — 130 dB • vzlet proudového letadla ~ 190 dB • Subjektivní vnímání akustické intenzity závisí na frekvenci. Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Základní a složený tón Základní veličiny Vlnění Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Spektrální analýza zvuku • Základní tón - zvukovou intenzitou v závislosti na čase odpovídá sinusoidě • Složený tón - lineární kombinace základních tónů o většina zvuků —i-1— 0.5+sin[x)+D.5+sin(2+x) -j I_I_I_I_I_I_L 0 1 2 3 4 5 6 Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Reálný Základní veličiny Vlnění Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Spektrální analýza Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Základní veličiny Vlnění Veličiny související s vnímánim zvuku Základni tón, složený tón, spektrum Akustické spektrum zvuku • Reálné zvuky: • Jedná se většinou složené tóny. • Složeny ze základních tónů. o Lze je rozložit na jednotlivé složky - akustické spektrum Frequency Analysis lili II INI II INI II ■ INI II ■■■■■■■■immiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii III II INI II INI II INI II INI II ■■■■■■■■immiiiiiiiiiiimiiiiiii III II E5iaiiiiiiii::!iiiiiiiiiiiiiiiiiiin lili II ■ ■■■■■■■llllllllIlMIIIIIIIIIIIIIIII ji !! ■ 1 II ■■■■■■■■iiiiiiiiiiiiimh!:íí.;: