AkustikaTeorie - slyšení

Sluchové ústrojí

Sluchové ústrojí

46 2. FYZIOLOGICKÁ AKUSTIKA

2.1 Stavba lidského ucha

Zvuková informace prochází v našem uchu podobami, od kmitavého pohybu vzduchu ve uchu mechanické vibrace systému

ucha a vln v ucha až po elektrochemické ve smyslových (obr. 2.1a). této cesty nervovými vlákny do mozkového centra a jeho sluchové je jako sluchová dráha.

10 „ '(.

;,eden'i .·vz;ucrerrf

f

statokinetické ústroji

elektrický

vedení tekutinou

a

.... __ sca/a

zevní ucho I ucho

ganglion spira/e

Reissnerova membrána

tektoriálni membrána '"

bazilární membrána

Obr. 2.1 Lidské ucho (lit. 57)

vestibuli -+-+-- scala

media scala tympani

c

•\: ·u _:.

1:.: !'

·''':

.· .

Ucho

‣ Ucho – je složeno z ucha vnějšího, středního a vnitřního. K vnějšímu uchu patří boltec, který zachycuje zvukové vlny, a zvukovod. Zvukovodem se vede zvuk na pružnou blanku – bubínek (pružná asi 0,1 mm silná a 1 cm velká blána). Úkolem středního ucha (tři pružné kůstky – kladívko, kovadlinka a třmínek) je snižovat amplitudu výchylky akustických kmitů a převádět je k systému vnitřního ucha. Střední ucho je spojeno Eustachovou trubicí s dutinou ústní, čímž se vyrovnává tlak na obou stranách bubínku. Ve vnitřním uchu, složitém systému kanálků a míšků, které je vyplněno kapalinou - perilymfou, je vlastní sluchový orgán, tzv. Cortiho ústrojí, které obsahuje sluchové buňky.

Ucho

‣ Dopadne-li na bubínek zvuková vlna zachycená boltcem, přenese se energie zvukového vlnění kůstkami středního ucha na tekutinu ve vnitřním uchu. Zde vznikne stojaté vlnění, kterým se rezonancí rozkmitávají jemná vlákna sluchového nervu uložená na Cortiho ústrojí. Nejvíce se rozkmitá to vlákno, jehož vlastní frekvence je stejná jako frekvence dopadajícího vlnění. Sluchový vjem se přenáší pomocí elektrických impulsů do nervové soustavy.

Přenos zvuku do sluchového aparátu

‣ Zpěv, vlastní hlas

‣ Dechové nástroje

‣ Vibrace a chvění

‣ Zvukovod - charakteristika, (sluchátka):

2.1 STAVBA LIDSKÉHO UCHA 47

Jednotlivé ústrojí sluchové dráhy mají svoj i konkrétní funkci v zvukové informace a tím i konkrétní vliv na schopnosti sluchového vjemu.

ucho boltec a zvukovod blanou bubínku. Samotný akustický ušního boltce se pouze slyšení na vysokých frekvencích

(nad 500 Hz) a spolu s akustickým stínem hlavy a šikmou polohou zvukovodu se znásobuje. Jednotlivým boltce je význam pro loka-lizaci zvuku v horizontálním a vertikálním i v odhadu vzdálenosti.

Zvukovod je trubicí, na o cca 7 mm s s pokrytými zvukovodu je eliptický a podél celkové délky 25 až 35 mm se nejprve zužuje a potom Zvukovod chrání další

ucha poškozením a svými vlastnostmi vlastní zvukové informace.

poslechu lze zvukovod válcové trubici na jednom konci (viz kap. 6.3 ) s prvním módem v rozsahu 2800 až 3400 Hz dle

délky zvukovodu. rezonance (obr. 2.2) je plochý, protože bubínek zvukové energie absorbuje a jen odráží. Také o zvukovodu je nezanedbatelných ztrát zvukové energie. frekvencí v oblasti kolem 3 až 4 kHz o cca 15 dB je velmi pro srozumitelnost

100 1 000 10 000 Hz

Obr. 2.2 Rezonance zvukovodu (lit. 23)

Odlišná situace nastává, se vstup zvukovodu sluchadlem sluchátkem. Dle konkrétního vstupu zvukovodu dochází ke jeho akustické délky a ke

rozložení a kmiten tlaku a rychlosti. Tyto vlastností zvukovodu dovolují sluchadel i sluchátek velmi vyrovnat jejich charakteristiku ve vztahu k následnému sluchovému vjemu.

ucho spolu s hlavou též akustického impulzu z volného pole až na bubínek. V impulzu dochází totiž k tvarovým se kterými je nutné zkoumání funkce sluchového analyzátoru

a má ucho též význam poslechu signálu ve protože omezuje resp. transformuje vliv rušivého šumu.

systém ucha je za bubínkem v bubínkové nepravi-delného tvaru, která je vzduchem. vyrovnávání tlaku vzduchu s

každém polknutí Eustachova trubice, která ústí do nosohltanu. Od ucha je ucho bubínkem, od ucha oválným a okrouhlým (kulatým) okénkem. Na dutinu bubínkovou navazují další dutiny, které spolu dohromady pohlcují zvukovou energii (mastoidální systém) (obr. 2.1b).

Ve jsou Na bubínek nálevkovitého tvaru s vrcho-lem je z strany kladívka. Hlava kladívka je pevným

Sluchové pole

52 2. FYZIOLOGICKÁ AKUSTIKA

2.3 Sluchové pole

Pod pojmem sluchové pole se rozumí množina akustických (resp. intenzit) a frekvencí (obr. 2.6), která je ve vertikálním vymezena prahem slyšení a prahem bolesti-vosti, ve horizontálním dolní a horní sluchovou mezí. Práh slyšení je minimální

akustický tlak (resp. intenzita), který vyvolá u s sluchem vjem.

dB PRÁH BOLESTIVOSTI -- I „„ ... ---„„ l':., -- ... „ ... ---

140

120

SLUCHOVf POLE -fo- „ ... -- „„ 100

, „„, J• ......

)/ ' '::... ...... "' r; ' ' / ' "'-- ' ...

OBLAST A HUDBY

80

60

' , i" r-.

j'r ' ' ... _

- --- ·- ,_ I',, 1----- ... -- - -....

w

20 PRÁH ... „

o -10

tl 2 3 4 5 10•

... -,.. --.......... / -„ , „_

2 3 4 5 v' 2 3 4 5

Obr. 2.6 Sluchové pole (lit. 91)

' I'

+-„-

N.m-a

"°"'"' 10•

'°"'"'"

R\ ::... ' N ' "'I: c:o:: .,.; '

I 0::

„ ... „„ '

2-10

10

2

1

vo-' 10-•

2.10-•

70-•

2.70"'

70-•

2.10-4

10-•

2.10-s

10• S$ 70-r uo• Hz

Práh slyšení je závislý nejenom na frekvenci a typu signálu (sinusový tón, šum, ale také na jeho Akustický tlak lze na vstupu do zvukovodu

nebo v volného pole, kde byla hlava Velikost prahu slyšení záleží také na dopadu a tvaru zvukové vlny a poslechu monaurálním binaurálním (obr. 2.7) .

citlivost lidského sluchu se nalézá v oblasti 3 až 4 kHz pro normální sluch. Toto prohnutí prahové je dáno jednak vlastnostmi ucha a jednak

vlastnostmi vláken sluchového nervu . Sluchový práh pro poslech v poli protíná O dB na frekvenci 1 kHz, ale

na frekvenci 50 Hz hladinu o 60 dB vyšší. prahu sluchu pod touto

Citlivost sluchu

‣ Slyšíme ideálně 16 Hz - 20kHz

‣ Vnímáme i neslyšitelné frekvence

‣ Práh slyšení i subjektivní vjem závisí na frekvenci

Citlivost sluchu2.4 NADPRAHOVÁ HLASITOST ZVUKU 55

hlasitost, stejnou hlasitost, resp. hladinu hlasitosti lze stanovit pouze subjektivním srovnáním hlasitostí k tónu 1 kHz. Tuto závis lost zobrazují standardizované Kingsburyho

stejné hlasitosti (podle Fletchera a Munsona, obr. 2.8). Tyto platí pouze pro sinusové tóny za daných podmínek.

dB 140

130

··-- --rT - -.--f'. ,- :-- - ---

"" I' lll' " " - / I

120

110

' I' -- " ,, v v I

" ['.. 120 ..... ['.. / „_ c-- --ir -

'\ "" r--... 110 ..... ' '\ I'- -. r--..... r- v I

100 \ ' r--.. I"' -I"\, ;"\ f' - lXJ_ ,......_ 1-,.... ....

11 90 E

12 80 "'

I"\ 1'- I'- r--00 I ""- / 1'-

I\ 1'- - v ['""'-- 1 -.:,- .. li

I\ f' r- ,..... 1--.... I' v I"\ 00 ,'\' ' ]' I' I' v '-'

• -4 70

1 50 ti ::>

50 <O

\"\ ' " I' --. 70 r- / I"\ ' ' ' I' I' I' r--. v - ,....... / )" " I'\\.-' .k' I' -- ' r- v

.' I' I"' - 00 I'"'-- v , ...... ' I' ['-, r-.._

50- I' I/ I"\ 'I' í' I' .......... ,_ F-- v ,, -

c::: 1i 40 .c:

30

I' " I"' -- r- .-..- I/ " I' -"' 40 I 1, I' r--' -......... ......_ '-, I [/ v vi· , I"- " --- :,(I v " 20

/ „ ...... -- ..... li/ -práh slyšení ' ro „„ .......... -- )." v - \J{ 10 ... -r- r--, '/ ,'i ' I ._,

,-.!'- 10 -- X/ r----- -- _]::- , ,r ·-1, i

20 'JO i.o oo oom 200 300 @ liOO 000 100J 200) sooo 4COO roxi 10Cm lSOOJ Hz Brol

Obr. 2.8 stejné hlasitosti (lit. 91)

udávají závislost hladiny hlasitosti tónu na jeho frekvenci ve vztahu k hlasitosti tónu o frekvenci 1 kHz. Numerická hodnota na frekvenci 1 kHz udává hladinu hlasitosti ve fónech (Ph) a souhlasí s hladinou intenzity, resp. akustického tlaku . Pro jiné frekvence tato shoda neplatí, tón o frekvenci 30 Hz a akustického tlaku 90 dB má stejnou hladinu hlasitosti jako tón o frekvenci 1 kHz a akustického tlaku 60 dB.

hladiny akustického tlaku (SPL) je nutno respektovat frekven-závislost citlivosti lidského sluchu. Proto jsou do tzv. váhové

filtry, které tuto závislost simulují tak, aby co nejvíce odpovídala hladinám hlasitosti . Mezinárodní norma stanovuje podle hladin stejné hlasitosti 40 Ph (filtr A), 70 Ph (filtr B) a 100 Ph (filtr C). Váhový filtr D není odvozen z stejné hlasitosti, ale udává míru subjektivního hlukem. použitého filtru pak údaj o 85 dB/A).

Citlivost sluchu 1/2 uši

2 .3 SLUCHOVÉ POLE 53

frekvencí se stává z požadovaných intenzit už nereálné, protože vliv zkreslení zdroje a nelinearit ve vlastním sluchovém orgánu prahovou citlivost na dané frekvenc i. Za dolní sluchovou mez je považována frekvence 16 Hz, která odpovídá tónu subkontra C. Na rozdíl od dolní je horní sluchová mez velmi variabilní

v závislosti na Pro mladé osoby bývá tato mez až kolem 20 kHz (dokonce i výše), osoby ve 40 až 50 let už frekvence nad 15 kHz neslyší.

sluchového prahu nad frekvencí 5 kHz není již tak výrazný jako u nízkých frekvencí.

w 2

50 f--'.-1--+---- +

40 r'r-i't--- 0,2

JO

2.1Ó3

IO 'v<;: I .,, " I I X „v I

dB O I I/ f---j 2155 Pa

100 1000 10000 Hz

a - monaurální poslech sluchátkem b - binaurální poslech v poli c - binaurální poslech v poli

Obr. 2.7 Sluchové prahy (lit. 59)

Citlivost sluchu v oblasti 1 až 5 kHz je už srovnatelná s citlivostí na termální šum, který by citlivosti moh l rušivé pozadí sluchového vjemu.

Postupným zvyšováním akustické intenzity nad sluchovým prahem se zvuk stává hla-až vjem dosáhne individuálního prahu Nad hladinou 120

dB sluchový vjem v pocit lechtání, tedy v pocit hmatový. I tento práh je v malém rozsahu individuální a lze jej stanovit i u osob hluchých . Další zvýšení intenzity vede kolem hladiny 140 dB k dosažení prahu bolestivosti. Zde již delší expozice

trvalou poruchu sluchu. Okamžité poškození sluchu expozice zvukem o vyšší než 160 dB.

Citlivost sluchu

‣ Směrová citlivost

‣ Vliv na rozmístění hudebních těles

Další aspekty

‣ Zkreslení ve sluchovém orgánu, aurální tóny

‣ Maskování

‣ Změna vnímání výšky v závislosti na intenzitě pro nízké f

60 2. FYZIOLOGICKÁ AKUSTIKA

2.6 Výška zvuku

Sluchový vjem výšky zvuku odráží periodické chování jeho Pokud je tento opravdu periodický, pak vjem výšky odpovídá frekvenci vnímaného tónu. Avšak i u netónové povahy se o jejich výšce, která odráží náznaky periodicity resp. výskyt odpovídajídho lokálního maxima maxim ve spektru tohoto ' Vjem výšky tónu resp. zvuku nezávisí jenom na frekvenci, ale též na jeho inten-

a délce trvání. Nechá-li se tón o frekvenci 100 Hz znít a potom bude zesilován, bude vnímaná výška tohoto tónu klesat. Frekvence tónu se však

Závislost subjektivní výšky tónu na jeho obr. 2.11. Tato závislost ukazuje, že zvýšení hladiny intenzity o 40 dB u daného tónu vede k snížení subjektivní výšky o cca 10 %, tj. o celý tón. Tóny o frekvenci vyšší než 4 kHz svoji subjektivní výšku se zvyšováním intenzity naopak zvyšují.

o .....

5 :i -"' s 10 N

>--"'-15

>

o 20

E N

25 50

1-. '

'" ,, I•'\

' ' \

h\odiro hlasilosli [dB]

00 --- -:'7o:-_.- ---/ 90 ./""" / '00 ,,.........

I ....... ._/

--;:,..---....... / / / /

I I

I

m 200 'YfJ ---r [Hzl

..... -,,,.. ....

1 CXXl 2 cx:o

Obr. 2.11 subjektivní výšky tónu jeho intenzity (lit. 23)

V oblasti kolem 2 kHz je výška na hlasitosti nezávislá. Pro komplexní tóny hu-debních je výšky s hlasitostí mnohem menší, protože vjem výšky chování každé jednotlivé složky, jejíž frekvence se nalézat v uvedené oblasti nebo v oblasti vyšší (nad 2 kHz), kde naopak vjem výšky s hlasitostí stoupá.

Absolutní výška tónu je dána frekvencí tónu, s nímž má subjektivním posuzování s normálním sluchem zkoumaný tón stejnou výšku. Pro vylou-

závislosti na se používají hladiny hlasitosti 40 Výšku popisuje údaj fyzikální frekvence nebo tónu s uvedením odchylky

v centech) a normy výšky (viz kap. 6.5). Relativní výška tónu je dána hudebním intervalem mezi tónem zkoumaným a tónem

základním. Její jednotkou je 1 tón, jeho zlomky apod.) a jeho násobky (prima, sekunda až oktáva).

Rozpoznání diference

‣ Ladění (nejlépe 2 kHz, 60 dB, řádově 0,1%)

časový práh asi 10 ms

pro hudební účely lépe v centech

‣ Dynamika

‣ Zpoždění, začátek tónu

Vnímání odraženého signálu

‣ Všechno rozpoznání závisí na intenzitě a na kmitočtu

Vnímání kvality zvuku

‣ Teritoriální diference

‣ Žánrové diference

‣ Další zvyklostní prvky

MP3

‣ Jak ošidit slyšení...

‣ Důvod: Menší množství digitálních dat

‣ Nejde jen o zmenšení rozsahu přenášených frekvencí

‣ Maskování

‣ Zpracování (enkodér a dekodér)

‣ Ukázky na webových stránkách VCJAMU

Směrové (binaurální) slyšení

‣ Rozdíl intenzity

Vzdálenost

Akustický stín hlavy

‣ Rozdíl časů

Rozdíl fází

‣ Vliv pohybů hlavy

‣ Frekvenční závislost

Směrové slyšení

‣ Lokalizace v prostoru se lépe daří u složených zvuků a hluků než u čistých tónů. Vyvíjí se během života zkušenostmi, spojováním zrakových a sluchových vjemů a závisí na několika faktorech, z nichž žádný sám o sobě nestačí k přesnému umístění zdroje. Všeobecně můžeme říci, že za normálních poměrů závisí určení směru na binaurálním slyšení, to je slyšení oběma ušima. Popíšeme si jednotlivě faktory, jež se uplatňují ve směrovém slyšení.

‣ 1. Rozdíl intenzity. Je-li zdroj zvuku umístěn ve střední rovině, dopadá zvuková energie na obě uši ve stejné intensitě. Odchýlí-li se od střední roviny, je intensita v obou uších rozdílná. Sluchový analysátor lokalizuje zvuk ke straně větší intenzity. Rozdíl intensity je způsoben jednak tím, že ucho přivrácené je ke zvukovému zdroji blíže než ucho druhé. Tento rozdíl vzdáleností se však uplatňuje jen u zdrojů velmi blízkých. U zdrojů vzdálenějších je nepatrný.

‣ Větší význam má však rozdíl intensity, způsobený akustickým stínem hlavy. Tento účinek se však může uplatnit jen u tónů vysokých, pro něž je hlava dostatečnou překážkou zvukových vln, neboť vlnová délka se blíží rozměrům hlavy. Hluboké tóny, které mají velkou délku vlny, hlavu obejdou a intensita zvuku je v obou uších stejná. Bylo zjištěno, že hluboké tóny - asi do 200 Hz - přicházejí do obou uší se stejnou intenzitou. Od 500 do 3000 Hz činí rozdíl asi 7-8 dB, pak se rozdíl rychle zvětšuje, až dosáhne u 5000 Hz 25 dB a po zpětném poklesu znovu u 10 000 Hz 30 dB.

‣ Rozdíl intensity se uplatní při vysokých tónech, kdežto při nízkých selhává.

Směrové slyšení

‣ 2. Časový posun. Směr zvuku určujeme též podle toho, zda zvukové vlny dopadají na obě uši současně ve stejné fázi, či zda dopadne zvuková vlna na jedno ucho dříve než za druhé, tj. s časovým rozdílem stejných fází zvukových vln. Trimble určoval tento časový rozdíl pomocí impulsů a zjistil, že lze rozeznat časový posun o 0,1 ms. Hornbostel a Wertheimer dokonce zjistili, že k časovému rozlišení stačí již rozdíl 0,03 ms (30 mikrosekund). Zvětšuje-li se tento časový rozdíl podle Trimbla na více než 2 ms, vnímají se dva rozdílné zvuky, každý v jiném uchu. Maximální časový rozdíl, který vyplývá ze vzdáleností obou uší u člověka, činí 0,6 ms.

‣ Rozdíl intensity a času jsou dva hlavní principy, které slouží k určení směru zvuků v prostoru. V hlubokých tónech se uplatní rozdíl času, ve vysokých rozdíl intensity. Čisté tóny kolem frekvence asi 3000 Hz se však dají obtížně lokalizovat, neboť leží v místě, kde se časový rozdíl již neuplatňuje a rozdíl intensity se uplatní jen málo. V přírodě se však čisté tóny prakticky nevyskytují nebo jen výjimečně. U zvuků složených, které obsahují jak hluboké, tak vysoké tóny, je lokalizace všeobecně přesnější, nebol se kombinuje vliv intensity a vliv časového posunu.

‣ Na základě rozdílu intensity a času však není možné rozpoznat směr ve střední rovině, to znamená určit, zda přichází zpředu nebo zezadu či shora. K tomuto účelu se vypracují u člověka během života další kritéria.

‣ 3. Vliv pohybů hlavou umožní rozpoznat, zda zvuk přichází zepředu nebo zezadu. Pohneme-li nepatrně doprava, pak zdroj zvuku, umístěný vpředu, se posune poněkud k levému uchu. Je-li zdroj vzadu, posune se více k pravému uchu. Tyto změny, spojené s vnímáním pohybu hlavy, dávají dojem zvuku vpředu a vzadu. Znemožní-li se pohyby hlavou, nerozpoznáme směr.

‣ 4. Změna skladby zvuku se uplatňuje u složených tónů, které obsahují zvuky hluboké i vysoké, neboť při dopadu zezadu se zmenší obsah vysokých tónů a tím se změní kvalita zvuku. Jak je vidět, předpokládá tato lokalizace velmi jemnou schopnost sluchového analysátoru a může vzniknout jen dlouhým cvikem a častou zrakovou kontrolou. Proto je také směrové slyšení známých zvuků, např. řeči, mnohem dokonalejší než směrové slyšení čistých tónů.