INF Digital representasjon : Introduksjon til lyd

Like dokumenter
INF Digital representasjon : Introduksjon til lyd

Introduksjon til lyd. Det ytre øret. Fra lydbølger til nerveimpulser. INF Digital representasjon : Introduksjon til lyd.

Introduksjon til lyd. Litt praktisk informasjon. Fra lydbølger til nerveimpulser. Det ytre øret

Introduksjon til lyd. Det ytre øret. Fra lydbølger til nerveimpulser. INF Digital representasjon : Introduksjon til lyd.

Introduksjon til lyd. Litt praktisk informasjon. Fra lydbølger til nerveimpulser. Det ytre øret

Lyd. Litt praktisk informasjon. Litt fysikk. Lyd som en funksjon av tid. Husk øretelefoner på øvelsestimene denne uken og en stund framover.

Introduksjon til lyd. Litt praktisk informasjon. Det ytre øret. Fra lydbølger til nerveimpulser

Introduksjon til lyd

INF 1040 høsten 2009: Oppgavesett 8 Introduksjon til lyd (kapittel 9 og 10)

Løsningsforslag til kapittel 10 - Lydbølger

Løsningsforslag til ukeoppgave 12

INF 1040 Digital representasjon 2007 Utkast til - Obligatorisk oppgave nr 2

1.1 ØRETS ANATOMI OG FYSIOLOGI. Grunnleggende innføring i hvordan øret er bygd opp og hvordan det tekniske systemet gjør at vi kan oppfatte lyd

Lydproduksjon. t.no. ww ww.hin. Forelesning 1 Introduksjon Lyd og bølger MMT205 - F1 1

Et hørselsproblem (1)

Fourier-analyse. Hittil har vi begrenset oss til å se på bølger som kan beskrives ved sinus- eller cosinusfunksjoner

INF 1040 høsten 2008: Oppgavesett 9 Sampling og kvantisering av lyd (kapittel 11)

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Løsningsforslag til øving 9.

Å FORSTÅ ET HØRSELSTAP

Forkunnskapskrav. Hva handler kurset om. Kontaktinformasjon. Kurset er beregnet på en student som kan

Noen presiseringer mhp Diskret Fourier Transform. Relevant for oblig 1.

Sampling, kvantisering og lagring av lyd

Hva er et hørselstap?

Forelesening INF / Spektre - Fourier analyse

Introduksjon. «Diskret» sinus/cosinus i 1D. Funksjonen sin(θ) INF april 2010 Fourier -- En annen vinkling på stoffet i kapittel 4

Repetisjon: Sampling. Repetisjon: Diskretisering. Repetisjon: Diskret vs kontinuerlig. Forelesning, 12.februar 2004

Denne ligninga beskriver en udempet harmonisk oscillator. Torsjons-svingning. En stav er festet midt på en tråd som er festet i begge ender.

LYDFORSTERKERANLEGG, del 1

Den gule flekken er det området på netthinnen som har flest tapper, og her ser vi skarpest og best i dagslys.

FYS2130 Svingninger og bølger. Henrik Sveinsson

Fysikk & ultralyd Side 1

Oppdag Discover hørselen your hearing. Informasjon om hørselstap

Mikrofoner. MUS2253 Musikkproduksjon II

Tema nr 2: Analog eller digital, kontinuerlig eller diskret. Eksempel på ulike båndbredder. Frekvensinnhold og båndbredde. Analog

( x+ π 2) Bakgrunn: Sinus og cosinus. Bakgrunn: Samplet sinus i 1D. Bakgrunn: Samplet sinus i 2D. Bakgrunn: Sinus i 2D. sin( x)=cos.

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 13/6 2016

INF 1040 Sampling, kvantisering og lagring av lyd

Kommentarer til Oppgave 1b) og e) av Yvonne Rinne & Arnt Inge Vistnes

Løsningsforslag nr.1 - GEF2200

Grunnleggende om lyd.

Lydproduksjon. t.no. ww ww.hin. Forelesning 9 Signalbehandling (processing) og effekter MMT205 - F9 1

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer

Hva er støy? Støy defineres som UØNSKET lyd. Lyd er en sanseopplevelse knyttet til en subjektiv tolking av et rent fysisk fenomen:

Å forstå et hørselstap

Oppgave: MED2200-2_OPPGAVE2_V17_ORD

Digitalisering av lyd

INF mars 2017 Fourier I -- En litt annen vinkling på stoffet i kapittel 4

Fouriersyntese av lyd

Lydintensiteten i avstand, R: L 1 = W/4 R 2. Lydintensitet i dobbel avstand, 2R: L 2 = W/4 R) 2 =W/(4 R 2 )4= L 1 /4. L 2 = W/4 R)h= W/(2 Rh)2= L 1 /2

Forelesning, 23.februar INF2400 Sampling II. Øyvind Ryan. Februar 2006

Møre og Romsdal Fylkeskommune Søre Sunnmøre Tannhelsedistrikt v/gunnar Eikrem Røysbakken VOLDA Ørsta

Oblig 1 FYS2130. Elling Hauge-Iversen

Forelesning, 17.februar INF2400 Sampling II. Øyvind Ryan. Februar 2005

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN VÅREN 2007 SENSORTEORI. Klasse OM2

Løsningsforslag til øving 5

Løsningsforslag til øving 6

sin(2 ui/n) starter på 0 og repeteres u ganger per N samples. cos(2 ui/n) starter på 1 og repeteres u ganger per N samples

Innføring om lyd. Forelesningsreferat 2003/2004 Petter Brækken

Obligatorisk oppgave nr 1 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Støy og hørsel. En kort beskrivelse av støy og støykilder. Hvorfor unngå disse?

Analog. INF 1040 Sampling, kvantisering og lagring av lyd. Kontinuerlig. Digital

Institutt for fysikk Fakultet for naturvitenskap og teknologi. Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Onsdag 6.

INF1040 Digital representasjon Oppsummering 2008 del II

TFY4106_M2_V2019 1/6

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Det fysiske laget, del 2

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til kapittel 11 sampling, kvantisering og lagring av lyd

Kan vi måle stillhet?

Løsningsforslag til eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Fredag 29. mai 2009

Gitarstrengfrekvenser og Fourierspektra

Høyt. BRUK en lydmåler - forebygg hørselskader!

Eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Torsdag 3. juni 2010

Sansecelle er spesialisert til å omdanne bestemte stimuli til elektriske signaler som kan sendes og behandles av nervesystemet.


INF1040 Digital representasjon Oppsummering 2008 del II

10 6 (for λ 500 nm); minste størrelse av

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Fysikken i astrofysikk, del 1

Løsningsforslag til øving 4

Lyd på datamaskiner. Knut Mørken. November 17, 2008

INF 1040 Sampling, kvantisering og lagring av lyd

FY1001/TFY4145 Mekanisk Fysikk Eksamen 9. august 2016 Side 1 av 20

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

UNIVERSITETET I OSLO

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

UNIVERSITETET I OSLO

Benevning Forklaring. Vedlegg A: Vanlige støyuttrykk og betegnelser

Forelesning nr.14 INF 1410

Kapittel 6. Lyd. c 1. Vi møter helt tilsvarende todeling når vi i et senere kapittel skal vurdere lysintensiteter.

Hva blir nest laveste resonansfrekvens i rret i forrige oppgave?

INF1040 Digital representasjon

UNIVERSITETET I OSLO

Høyt. BRUK en lydmåler - forebygg hørselskader!

Ultralyd teknisk bakgrunn. Ultralyd egenskaper: Lydhastighet: Refleksjon (Ekko) Pulsbølge generering i pizo-elektriske krystaller

LØSNINGSFORSLAG TIL SIGNALBEHANDLING 1 JUNI 2010

Analog. INF 1040 Sampling, kvantisering og lagring av lyd. Kontinuerlig. Digital

Forelesning, TMA4110 Torsdag 11/9

LABORATORIEØVELSE B FYS LINEÆR KRETSELEKTRONIKK 1. LAPLACE TRANSFORMASJON 2. AC-RESPONS OG BODEPLOT 3. WIENBROFILTER

Repetisjon: Eksempel. Repetisjon: Aliasing. Oversikt, 26.februar Gitt. Alle signaler. Ettersom. vil alle kontinuerlig-tid signaler.

Transkript:

INF1040 - Digital representasjon 24.09.2008: Introduksjon til lyd Foreleser: Fritz Albregtsen Kontakt: fritz@ifi.uio.no, 911 63 005 Det blir en del stoff per forelesning Er det matematikk eller praktisk regning? Gå på terminalstuegruppene Gjør hederlige forsøk på å løse ukeoppgavene Gå på plenumsgruppene og få fritz@ifi.uio.no Alternativ gjennomgang av teori, eksempler, gjennomgang av løsningsforslag etc Still spørsmål! Spør gruppelærerne om hjelp! INF1040-Lyd1-1

Introduksjon til lyd Temaer i dag: Hvordan kan vi høre lyd? Lyd og lydbølger Begrepene amplitude, frekvens, periode og bølgelengde Hvordan representerer vi lydsignaler matematisk? Hvordan illustrerer vi lydsignaler grafisk? Tilhørende tekst fra læreboka Digital representasjon : Kapittel 9: Hørselen hvordan virker den? Kapittel 10: Lydbølger hvordan ser de ut? INF1040-Lyd1-2

Fra lydbølger til nerveimpulser Lydbølger detekteres av øret, omformes til nerveimpulser, og disse sendes til høresenteret i hjernen. Øret har tre deler: Det ytre øret Mellomøret Trykkbølger Det indre øre Trykkbølgene omdannes til nervesignaler. Mer på f.eks. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/mmedia/waves/edl.html INF1040-Lyd1-3

Det ytre øret Det ytre øret fanger opp lydbølger og sender dem innover i ørekanalen, der de får trommehinna til å vibrere. Det ytre øret øker lyd-sensitiviteten med en faktor 2 3. Resonans i øregangen øker følsomheten for lyder ved 3 000 4 000 Hz. Dette er viktig for oppfattelse av tale. INF1040-Lyd1-4

Mellomøret Trommehinna er en membran som beskytter hørselssystemet, men som vibrerer i takt med lydbølgene som treffer øret. Lyden forplanter seg videre gjennom mellomøret via hammeren, ambolten og stigbøylen. Stigbøylen er festet til det ovale vindu, som danner overgangen til det indre øre. Trommehinna er ca 15 ganger større enn det ovale vindu => 15 ganger forsterkning. Hammeren, ambolten og stigbøylen fungerer som vektstenger som forsterker svingningene med opptil en faktor 3. Vektstangsystemet er adaptivt: Demper altfor sterke svingninger. INF1040-Lyd1-5

Det indre øret I det indre øre finnes to organer: balanseorganet og cochlea, som er kroppens mikrofon. Cochlea er formet som et sneglehus, og er delt i tre parallelle kanaler. I den midterste ligger basilarmembranen. Her sitter 16 000 20 000 hårceller som registrerer lyd med forskjellige frekvenser. Hver hårcelle har flere hår. Vibrasjonene fra trykkbølger bøyer hårene, ionekanaler i bunnen av cellene åpnes, og en liten strømpuls sendes langs en nervefiber. INF1040-Lyd1-6

Hårceller Hårceller på forskjellige steder langs membranen reagerer på lyd med forskjellig frekvens. Høyfrekvente lyder registreres langt ute i sneglehuset. Bass-lyder registreres lenger inne i sneglehuset. To toner som er nesten like vil konkurrere om de samme hårcellene. De vil ikke høres like sterke ut som hvis de lå lenger fra hverandre. Dette utnyttes i kompakt lagring av lyd (for eksempel mp3). Hvis hårceller for en gitt frekvens knekker (pga for høy lyd) er hørselen på denne frekvensen svekket eller tapt for alltid. Se f.eks. http://facstaff.uww.edu/bradleys/radio/hlsimulation/ INF1040-Lyd1-7

Lyd som en funksjon av tid lyd1.wav Her ser vi hvordan lydstyrken eller amplituden endrer seg med tiden Legg merke til hvor raskt signalet endrer seg (millisekunder) INF1040-Lyd1-8

Lydens svingninger - frekvens Hvordan lyden høres ut, avhenger av hvor raske svingninger den inneholder. Antall svingninger per sekund er frekvensen til en tone. Frekvensen til en tone måles i Hz ( s -1 ) Vi hører lydbølger som svinger mellom 20 ganger per sekund og 20 000 ganger per sekund høreterskelen er bare 2/10 000 000 000 av standard atmosfærisk trykk Smerteterskelen svarer til en lydintensitet som er 10 000 000 000 000 =10 13 ganger høreterskelen. Hørselen svekkes med alderen. Svekkelsen er ikke lik for alle frekvenser. De ca 30 000 endepunktene for hørenervene slites / knekker. De fleste lyder består av flere rene toner med ulik frekvens. Øret er veldig følsomt for forandringer i frekvens (0.3% endring). INF1040-Lyd1-9

Bølgelengde og lydhastighet Bølgelengden λ er den fysiske lengde mellom to punkter på samme sted i svingningen. Hastigheten til en bølge er lik produktet av bølgelengde og frekvens v = f λ (gjelder generelt, både for lydbølger og elektromagnetiske bølger) Bølgelengden for hørbare lydbølger går fra λ = 17 m for f = 20 Hz til λ = 1,7 cm for f = 20 000 Hz. En A på f = 440 Hz har en bølgelengde på λ = 75 cm, mens en A som er en oktav lavere (f = 220 Hz) har λ = 1,5 m. INF1040-Lyd1-10

Lyd som sinusoider Sinusoider er et felles navn på funksjonene cos(x) og sin(x). Periodisk signal: et periodisk signal gjentar seg etter en viss tid. Sinus og cosinus-funksjoner beskriver periodiske signaler. De brukes til å forklare hva slags informasjon et lydsignal inneholder. Vi trenger å lære litt om sinusoider for å skjønne hvordan lydsignaler lagres. INF1040-Lyd1-11

Funksjonen cos(x) cos(x) er kjent fra geometrien for å måle sidene i en trekant. Da er x en vinkel som måles i radianer (0 til 2π) eller grader (0-360 ). 10 cm Vinkel x finnes ved at cos(x) = 8/10 x Da blir x = cos -1 (8/10) = 36.8 8 cm cos(x) svinger mellom 1 og -1 når x varierer mellom 0 og 2π i radianer. vinkel x x = 0 (0 ) cos(x) = 1 x = π/2 (90 ) cos(x) = 0 x = π (180 ) cos(x) = -1 x = 3π/2 (270 ) cos(x) = 0 x = 2π (360 ) cos(x) = 1 Dette gjentar seg når x roterer en gang til. INF1040-Lyd1-12

Funksjonen cos(x) cos(x) svinger mellom 1 og -1 når x varierer mellom 0 og 2π, og den svinger på samme måte når x varierer mellom 2π og 4π. Hvis x måles i radianer, og x ligger mellom 0 og 10 ser funksjonen cos(x) slik ut: cos(x) x INF1040-Lyd1-13

cos(t) for tidssignaler Ser på signaler som varierer med tiden t. Vi er interessert i antall svingninger pr. sekund. Dette forteller oss frekvensen til signalet. Et triks vi bruker er å se på funksjonen y(t) = cos(2πt). Dette gir oss noe som svinger fra 1 til -1 og tilbake til 1 i løpet av 1 sekund. INF1040-Lyd1-14

cos(2πft) Ser vi på y = cos(2πft) der f er et heltall (f.eks. 10), får vi noe som svinger f ganger (10 ganger) pr. sekund: f er antall svingninger pr. sekund og kalles frekvens. Frekvensen f måles i hertz (Hz). (1 khz er 1000 svingninger i sekundet). INF1040-Lyd1-15

Periode Funksjonen y=cos(2π10t) gjentar seg selv 10 ganger pr. sekund. 1 periode 1 periode Perioden kaller vi for T. Vi kan regne ut frekvensen som f = 1/T, eller T = 1/f. For å finne perioden ser vi på avstanden i sekunder mellom to punkter på samme sted i svingningen, for eksempel der funksjoner går fra negative til positive verdier (krysser null). Her kan vi måle at avstanden, dvs. perioden er 0.1 sekund. INF1040-Lyd1-16

Amplitude Amplituden forteller hvor stort det maksimale trykk-utslaget er. y(t) = A cos(2πf 0 t) A=10 Amplituden A til en cosinus-funksjon er maksimumsverdien funksjonen kan ha. INF1040-Lyd1-17

Faseforskyvning (bare for de viderekomne) Vi ser på funksjonen y(t) = A cos(2πf 0 t + φ) φ Sammenligner med funksjonen y(t) = A cos(2πf0t) Ser at vi har fått en forskyvning med et beløp φ (startpunktet er forskjellig fra 0) φ kalles faseforskyvning INF1040-Lyd1-18

Frekvens til cosinussignaler Vi ser på y(t) = A cos(2πf 0 t) t er tiden f 0 er frekvensen: cos(2π*0.5*t) f 0 =0.5 cos(2π*0.7*t) f 0 =0.7 Høy frekvens: signalet varierer fort cos(2πt) f 0 =1 Lav frekvens: signalet varierer langsomt INF1040-Lyd1-19

Funksjonen sin(x) sin(x) er kjent fra geometrien for å måle sidene i en trekant. Da er x en vinkel som måles i radianer (0 til 2π) eller grader (0-360 ). 10 cm Vinkel x finnes ved at 6 cm sin(x) = 6/10 x Da blir x = sin -1 (6/10) = 36.8 sin(x) svinger fra 0 til 1 til 0 til -1 til 0 når x varierer mellom 0 og 2π i radianer. vinkel x x = 0 (0 ) sin(x) = 0 x = π/2 (90 ) sin(x) = 1 x = π (180 ) sin(x) = 0 x = 3π/2 (270 ) sin(x) = -1 x = 2π (360 ) sin(x) = 0 Dette gjentar seg når x roterer en gang til. INF1040-Lyd1-20

Hva er forskjellen på sin(2πft) og cos(2πft)? cos(2π5t) starter på 1, varierer 5 ganger i sekundet. sin(2π5t) starter på 0, varierer 5 ganger i sekundet. Bare startpunktet, dvs. faseforskyvningen, er forskjellig. INF1040-Lyd1-21

Lyd fra cosinuser En kammertone (A) har frekvens på 440 Hz: lyd3.wav En A som er en oktav lavere har halvparten så høy frekvens: 220 Hz lyd4.wav I den tempererte tolvtoneskalaen: Det er et konstant frekvensforhold mellom nabotoner Vi får neste halvtone ved å multiplisere frekvensen med k = 2 (1/12) Frekvensen for en vilkårlig note N er gitt ved f = 440*(2 1/12 ) (N-49) der N er tonenr. fra keybord (49 for kammertonen) A-dur skala lages ved N = 37, 39, 41, 42, 44, 46, 48, 49 Sound (OLE2) INF1040-Lyd1-22

Toner og frekvenser Tonens lydstyrke bestemmes av dens amplitude. Øret vårt hører godt forskjeller i frekvens (hvor hurtig en tone med samme styrke svinger), og vi hører lett forskjell på ulike toner (og om to instrumenter ikke er stemt høres det surt ut). lyd6.wav En A på piano og klarinett høres likevel helt forskjellig ut: Tonen har samme frekvens, 440Hz, dvs. de har en bølgeform som gjentar seg 440 ganger i sekundet. Innen hver periode har lyden fra et piano og lyden fra en klarinett ulik kurve. Tonen fra et piano består ikke bare av en ren sinus, men er satt sammen av mange sinuser med ulik frekvens og periode. Ulike instrumenter har også ulik ansats, romklang, etterklang etc. INF1040-Lyd1-23

Forløpet av en tone Det er flere ting som bestemmer forløpet av en tone. Hvilket instrument det er Hvordan man spiller på det Lydstyrken er ikke konstant over tid. Ved syntetisering av lyd har man flere parametre: Amplitude decay sustain attack release Note on Note off Tid INF1040-Lyd1-24

Toner og overtoner En tone i musikken består av: en grunntone (fundamental frekvens) overtoner - harmonisk relaterte frekvenser (høyere frekvenser satt sammen som k * fundamental frekvens) Grunnfrekvens 1 Hz (sin(2πt)) 1. harmoniske komponent 2 Hz (sin(2π2t)) 2. harmoniske komponent 3 Hz (sin(2π3t)) lyd11.wav lyd12.wav lyd13.wav lyd14.wav INF1040-Lyd1-25

Hva om vi summerer cosinuser? Vi hørte at cos(2*π*300*t) + cos(2*π*500*t) ga oss to toner samtidig. lyd15.wav Hvis vi lager et signal N f ( t) = A cos(2πf t) i= 1 A i er amplituden/styrken til komponent i f i er frekvensen til komponent i i så kan vi lage mange lyder hvis N er stor. i A-dur treklang cos(2π220t)+cos(2π292t)+cos(2π330t) lyd16.wav Alle tonene i en skala samtidig lyd17.wav En tone pluss støy (hvit støy - et jevnt sus av støy på mange frekvenser) lyd18.wav INF1040-Lyd1-26

Sum av harmoniske sinus-komponenter 4/πsin(2πft), f=2 4/π(sin(2πft)+ 1/3sin(2π3ft) 4/π(sin(2πft)+ 1/3sin(2π3ft)+1/5*sin(2π5ft) Sum av 3 harmoniske sinuser 4/π(sin(2πft)+ 1/3sin(2π3ft)+...+1/13*sin(2π13ft) Sum av 7 harmoniske sinuser INF1040-Lyd1-27

Hvordan kan vi se hvilke frekvenser en lyd inneholder? Vi trenger et verktøy for å se hvilke frekvenskomponenter en lyd inneholder. Til dette bruker vi frekvensspekteret. Frekvensspekteret er basert på å ta Fourier-transformen til lydsignalet Fourier-transformen dekomponerer lydsignalet i ulike basis sinus- og cosinuskomponenter med ulik frekvens og finner hvor sterkt bidrag hver komponent har. INF1040-Lyd1-28

Generelle lydsignaler Vi kan uttrykke et vilkårlig periodisk signal y(t) som en sum av N sinusoider med hver sin amplitude A, frekvens f og fase φ. Vi kan skrive dette som N y( t) = A + A cos(2π f t + φ ) 0 k k k k= 1 Matematikken er ikke viktig her det viktige er konseptet! Ved å plotte frekvensspekteret til signalet, kan vi se hvilke frekvenser signalet inneholder Du lærer mer om dette i kurs i Digital Signalbehandling Se på http://www.ifi.uio.no/dsb INF1040-Lyd1-29

Hvordan ser frekvensspekteret ut? Topper i plottet viser de dominerende frekvensene Amplitude Spekteret er alltid symmetrisk Frekvens Frekvensspektret til et rent cosinus-signal med frekvens 300 Hz INF1040-Lyd1-30

Noen lyder og frekvensspektere lyd7.wav lyd8.wav Messinginstrument Klarinett lyd9.wav lyd10.wav a 1 cos(2π 300 t) + a 2 cos(2π 500 t) Klokke INF1040-Lyd1-31

Sinus Kan vi bruke andre bølgeformer enn sinus og cosinus? lyd19.wav Frekvensspekteret INF1040-Lyd1-32

Lyd fra cosinus cos() lyd20.wav Spekteret INF1040-Lyd1-33

Lyd fra trekantpuls Trekantpuls lyd22.wav Spekteret til trekantpuls INF1040-Lyd1-34

Lyd fra firkantpuls Firkantpuls lyd21.wav Spekteret til firkantpuls INF1040-Lyd1-35

Andre lyder En kompleks lyd som øret ikke oppfatter som en bestemt tone består av mange ulike frekvenskomponenter, og frekvensene er ikke harmonisk relaterte. En skarp lyd som f.eks. et dunk inneholder mange frekvenskomponenter Vi trenger mange komponenter for å beskrive noe som endrer seg fort, f.eks. lyden av at en gjenstand faller i gulvet. Tale inneholder vanligvis færre frekvenser enn musikk (mindre båndbredde). INF1040-Lyd1-36

Frekvensinnhold og båndbredde Alle ydsignaler inneholder et endelig sett av ulike frekvenser. Begrepet båndbredde beskriver hvor mange frekvenser som finnes. Skal spille signaler opp til 20 000 Hz, må vi ha en båndbredde på 20 khz. Dette må vi ta hensyn til når vi skal lagre lyd f.eks. på en CD. Ulike lydsignaler inneholder ulike bånd av frekvensspekteret: Musikk setter store krav til båndbredde (20 000 Hz). Tale ligger på max. 3 khz. Øret mest følsomt mellom 1 og 4 khz. Dette brukes i telefonoverføringer (max 4 000 Hz). Kutter vi i båndbredden kan det gå ut over kvaliteten. Det mest sentrale er den maksimale frekvensen vi ønsker å representere. INF1040-Lyd1-37

Eksempel på ulike båndbredder lyd30.wav Odd Børretzen med full CD-kvalitet lyd31.wav Odd Børretzen - kun frekvenser opp til 22 050 Hz lyd32.wav Odd Børretzen - kun frekvenser opp til 11 025 Hz lyd33.wav lyd34.wav Odd Børretzen - kun frekvenser opp til 8 000 Hz Odd Børretzen - kun frekvenser opp til 4 000 Hz lyd35.wav Odd Børretzen - kun frekvenser opp til 1 000 Hz INF1040-Lyd1-38

Lydintensitet Intensiteten er den mengde energi som passerer gjennom en flate pr tidsenhet, og vi måler dette i W/m 2. Lyd fra en punktkilde brer seg i alle retninger i rommet Dobler vi radien i en kule, fordeles energien over en fire ganger så stor flate. Tre ganger så stor radius gir ni ganger så stor flate. Hvis vi skal sammenligne lydintensitetene i avstand a og 10 a fra en lydkilde, spiller det da noen rolle... hva avstanden a er?... hva lydintensiteten i avstand a er? INF1040-Lyd1-39

Lydintensitet Vi kan høre lyder over et stort omfang av intensiteter: fra I 0 = 10-12 W/m 2, Høreterskelen til 10 W/m 2, Smerteterskelen Oftest angir vi ikke absolutt lydintensitet i W/m 2 Vi angir intensiteten i forhold til høreterskelen I 0 Vi bruker en logaritmisk skala, decibelskalaen, forkortet db I β ( db) = 10 log 10 I 0 Logaritmen med basis 10 til et tall x, er den potensen vi må opphøye basistallet 10 i for å få tallet x. Eksempel1: log 10 (100) = 2 fordi 100 = 10*10 = 10 2 Eksempel 2: log 10 (1 000 000) = 6 fordi 1 000 000 = 10 6 INF1040-Lyd1-40

Mer om lydintensitet Decibel måler intensiteten til en lyd i forhold til den svakeste lyden vi kan høre. En økning på 10 db svarer til at lydintensiteten er økt med en faktor 10. Hvis en lyd har intensitet 40 db og en annen 60 db (økning = 20 db) så har den andre lyden 10 2 =100 ganger høyere intensitet. Den minste hørbare endring i lydintensitet er ca 1 db for en 1 000 Hz tone ved 30 db. Vi kan høre mindre endringer ved høyere lydintensitet, og ved høyere frekvenser. INF1040-Lyd1-41

Noen eksempler på lydintensitet Intensitet Intensitet #ganger Kilde (W/m 2 ) i db sterkere enn TH Terskel for hørsel ved 1 khz (TH) 1*10-12 0 db Blader som rasler i vinden 1*10-11 10 db 10 Hvisking 1*10-10 20 db 100=10 2 Normal tale 1*10-6 60 db 1 000 000=10 6 Rushtrafikk 1*10-5 70 db 10 7 Støvsuger 1*10-4 80 db 10 8 Symfoniorkester 1*10-3 98 db 10 9.8 Walkman på max., hørselskader over lengre tid 1*10-2 100 db 10 10 Rockekonserter (ved scenen) 1*10-1 110 db 10 11 Smerteterskel 1*10 1 130 db 10 13 Jagerfly (takeoff) 1*10 2 140 db 10 14 Trommehinnen sprekker 1*10 4 160 db 10 16 INF1040-Lyd1-42

Lydtrykk Hørbar lyd er trykkbølger, eller tetthetsbølger. Både atmosfæretrykket og trykk-amplitude P måles i Pascal(Pa=N/m 2 ). 1 atm =101,325 kpa = 1013,25 hpa (1hPa = 1 millibar, brukt i meteorologi) Høreterskelen er P 0 = 2 x 10-5 Pa Lydtrykket i db beregnes fra trykk-amplituden P : L p P P = 10log10 = 20log P0 P0 Faktoren 20 kommer av at 10-er logaritmen til kvadratet av et tall er 2 ganger logaritmen til tallet. 2 Effekten i en trykkbølge er proporsjonal med kvadratet av trykkamplituden. INF1040-Lyd1-43

Lydstyrke angitt i phon Subjektiv lydstyrke er ikke det samme som objektiv lydintensitet. Vi må ta hensyn til ørets følsomhet for lyd på ulike frekvenser. Med 1 000 Hz som referanse kan vi plotte den intensitet som skal til for at vi skal oppfatte den samme lydstyrke på andre frekvenser. Dette er basis for lydstyrke i phon. Hvis en lyd på en gitt frekvens er like sterk som en 60 db lyd på 1000 Hz, så har den en styrke på 60 phon. Den subjektive lydstyrken dobles for hver 10 phon. Vi ser at: Øret er mindre følsomt for svake bass-lyder. Vi ser at: Øret er spesielt følsomt ved 3 000 4 000 Hz INF1040-Lyd1-44

Bølgemønster fra en lydkilde i ro Antar at lydkilden er i ro. Frekvensen til lydkilden er f = 1/T Lydhastigheten i mediet er v Bølgelengden er gitt ved λ = v/f = v T λ = lydhastighet periode λ=vt Vi tegner en ring for hvert maksimum i trykkamplituden til lydbølgen Bølgelengden og dermed også frekvensen til lyden er den samme i alle retninger INF1040-Lyd1-45

Lydkilde i bevegelse Doppler-effekt Anta at lydkilden kommer mot deg med en hastighet v s Frekvensen til lydkilden og lydhastigheten i mediet er uforandret. I perioden T har en bølge beveget seg en lengde vt Lydkilden har i mellomtiden beveget seg v S T Neste bølge ligger derfor bare λ 1 = (v - v S ) T bak Resultat: Du opplever en mindre periode T 1 = λ 1 / v Dermed hører du en høyere frekvens f 1 = 1 / T 1 = v / λ 1 = f v/(v - v S ) λ 2 =vt 2 λ 1 =vt 1 fordi flere lydbølger passerer per tidsenhet enn om lydkilden hadde stått i ro. En lydkilde som fjerner seg gir tilsvarende en lyd med lavere frekvens: f 2 = f v / (v + v S ) INF1040-Lyd1-46

Dagens korte oppsummering - I Antall svingninger per sekund er frekvensen til en tone. Frekvensen måles i Hz ( s -1 ), og vi hører svingninger fra 20 Hz til 20 khz. Produktet av bølgelengde og frekvens gir hastigheten til bølgen v = f λ => λ = v/f f.eks λ = 330/440 = 0.75 m for v = 330 m/s og f = 440 Hz. Det enkleste periodisk varierende signal y(t) er en sinusoide med amplitude A, frekvens f og fase φ. y(t) = A cos(2πf 0 t + φ) Et vilkårlig periodisk signal kan uttrykkes som en sum av N slike sinusoider med hver sin amplitude A, frekvens f og fase φ. N y( t) = A + A cos(2π f t + φ ) 0 k k k k= 1 INF1040-Lyd1-47

Dagens korte oppsummering - II Lydintensitet er lik energi transportert pr tidsenhet gjennom et enhetsareal. Lydintensiteten angis på en logaritmisk decibel-skala ved der I 0 = 10-12 W/m 2 er høreterskelen. β ( db) = 10 log 10 I I 0 En økning av intensiteten med 10 db betyr en faktor 10 økning i intensiteten. Vi kan høre intensitetsendringer mindre enn 1 db. Den opplevde lydstyrken er ikke det samme som objektiv lydintensitet. Subjektiv lydstyrke angis i phon Hvis en lyd på en gitt frekvens er like sterk som en 60 db lyd på 1000 Hz, så har den en styrke på 60 phon. Nye begreper i neste forelesning: Analog til digital konvertering Sampling og kvantisering INF1040-Lyd1-48