III. Percepción. Tecnologías de la Voz Generación de la señal de voz: Producción

Transcripción

1 III. Percepción 1. El oido: órganos y su función 2. Percepción auditiva a. Localización de sonidos b. Sonoridad y nivel de sonoridad c. Bandas críticas d. Enmascaramiento e. Percepción de frecuencia

2 Modelo de Comunicación Tecnologías de la Voz Generación de la señal de voz: Producción Humana

3 Anatomy and Physiology of the Ear Outter Ear Eardrum protection Sound localization resonance near 3 khz Tecnologías de la Voz Generación de la señal de voz: Producción

4 Anatomy and Physiology of Middle Ear the Ear Protects the inner ear against excessively intense sounds Impedance adaptation Lowpass filtering

5 Anatomy and Physiology of the Ear Inner Ear transform mechanical vibrations into electrical excitation of its neural fibers Organ of Corti: sensorial hair cells Basilar membrane: length: 35 mm stiff and thin at the beginning compliant and massive at the apex Tecnologías de la Voz Generación de la señal de voz: Producción

6 Anatomy and Physiology of the Ear Basilar Membrane Behavior traversal waves coming from outer ear vibration coming through the bones maximal vibration of the basilar membrane at a point depending of the input frequency the apex responds maximally to lowfrequency tones the basal responds maximally to highfrequency tones f = z z encm

7 Anatomy and Physiology of the Ear

8 Sound Perception Sound Localization Interaural Time Difference (ITD) Interaural Intensity Difference (IID) Head-Related Transfer Functions (HRTF) Frequency Attenuation 3000 Hz 10 db 2a sen φ φ 6000 Hz 20 db a φ a Hz 35 db

9 Propiedades temporales Percepción auditiva Resolución Temporal... separación temporal entre sonidos aproximadamente 50 ms Efecto de precedencia o Haas... separación inferior a 50 ms Ley del primer frente de ondas mecanismo de inhibición del sistema auditivo que permite localizar sonidos en presencia de reverberación Diferentes retardos sobre el canal izquierdo 0 ms 0.6 ms 1.5 ms 10 ms 50 ms Aumento del tamaño de la fuente de sonido Desplazamiento del centro de gravedad Tecnologías de la Voz Generación de la señal de voz: Producción

10 Percepción espacial: Rayleigh 1907 Lord Rayleigh: Teoría duplex La localización de los sonidos se lleva a cabo mediante 1. Diferencia de tiempos de llegada a los oidos (ITD Interaural Time Difference) 2. Diferencia de intensidad entre los oidos (IID Interaural Intensity Difference) 2a sen φ φ a φ a

11 Percepción espacial: ITD Retardo entre los sonidos captados por los dos oidos a τ = φ + φ c ( sen ) donde c es la velocidad del sonido (340 m/s), a es el radio se la cabeza en el plano azimutal y f es el ángulo de incidencia azimutal del frente de ondas Algunos números: Máximo retardo para un ángulo de 90 º, suponiendo a = 10 cm ms Con este retardo Cúal es la frecuencia máxima que podemos diferenciar?

12 Percepción espacial: ITD Frecuencia máxima Retardo < Periodo de una sinusoide Frecuencia máxima < 1/Retardo máximo 1500 Hz azimut Percepción de diferencias temporales ITD ms Tecnologías de la Voz Generación de la señal de voz: Producción

13 Percepción espacial: IID Efecto de difracción en la cabeza Diferencia entre los niveles de intensidad recibidos por los oidos IID es dependiente de la frecuencia Bajas frecuencias No hay diferencias notables Altas frecuencias: efecto de sombra Diferencias de 20 a 30 db frecuencias > 1500 Hz

14 Onsets Los Onsets están directamente relacionados con el efecto de precedencia: Ejemplos: 1. Sistemas de refuerzo sonoro de auditorios Retardos de 30 a 40 ms en el sistema de refuerzo vs. cambio de localización 2. Sistemas de sonido en grandes almacenes Espaciosidad del sonido vs. eco 3. Efecto de Franssen Sonidos de banda estrecha en cámara reverberante

15 Localización Vertical y delante/atrás La teoría duplex solo explica la localización en azimut, pero no en elevación ni en distancia Cono de confusión : ángulo azimutal constante a b c d

16 Sensación de sonido externo: Distancia Grabaciones estero con auriculares: el sonido está dentro de la cabeza Factores que afectan a la sensación de sonido externo: 1. Movimiento de la cabeza Pequeños movimientos de la cabeza generan cambios del ITD e IID. Si el sonido no cambia como esperamos, se destruye la imagen del sonido externo y se localiza dentro de la cabeza. 2. Ecos y reverberación Relación entre la intensidad de sonido directo al reverberante es una indicación de distancia. Sonidos próximos dan ratios grandes Tecnologías de la Voz Generación de la señal de voz: Producción

17 White noise, free field HRTF Pinae folds occluded

18 Head-Related Transfer Functions Filtrado espectral del sonido antes de llegar al tímpano debido a las multiples reflexiones existentes en el pabellón del oido externo y partes próximas del cuerpo Las HRTF varían con la frecuencia, azimut, elevación y distancia fuente receptor ht () = δ () t + δ ( t τ ) H ( ω ) = cos( ω τ ) 2

19 HRTF H ( ω ) = cos( ω τ ) 2 1 retardo de 0.1 ms (diferencia de caminos de 3,4 cm) retardo de 0.05 ms (diferencia de caminos de 1,7 cm) retardo de 0.03 ms (diferencia de caminos de 1 cm) khz khz khz

20 HRTF Componentes direccionales y no direccionales de las HRTF khz Cuerpo khz reflexión hombros khz reflexión y difracción cabeza 2-14 khz reflexiones pabellón Direccionales + > 3 khz Canal externo impedancia tímpano No direccionales

21 HRTF hrtf (der superior, izq inferior) elev=0, azimut= respuesta frecuencial hrtf. izquierdo derecho tiempo (muestras) frecuencia khz

22 HRTF hrtf (der superior, izq inferior) elev=40, azimut= respuesta frecuencial 0-10 izquierdo derecho tiempo (muestras) frecuencia khz

23 Sound Perception Nivel de Sonoridad relación entre el nivel de presión sonora y la sensación subjetiva que produce. T q (f ) = 3.64f e 0.6(f 3.3) f 4 f en khz

24 Sound Perception Sonoridad Unidad... Son: sonoridad de un tono a 1 khz cuyo nivel de sonoridad es de 40 Phon. S = 2 F Un incremento de 10 Phon en el nivel de sonoridad, es decir 10 db SPL a 1 khz, supone doblar la sonoridad asociada al sonido correspondiente. Tecnologías de la Voz Generación de la señal de voz: Producción

25 Sound Perception Masking Frequency masking: Simultaneous sounds the perception of one sound is obscured by the presence of another the presence of one sound raises the threshold of hearing for another lower frequency sounds generally masks a higher-frequency one a 1 khz tone in a narrow band of noise becomes inaudible when it is 2-6 db below the noise level a 1 khz tone must be 24 db higher than the noise to mask the noise Temporal masking

26 back Tecnologías de la Voz Generación de la señal de voz: Producción

27 Frequency masking Temporal masking

28 Sound Perception Critical Bands A band of noise kept at constant sound pressure while its bandwidth is increased is heard with constant loudness until the critical bandwidth is attained. When two competing sounds signals pass energy through a critical-band, the sound with the higher energy within the critical band dominates the perception and masks the other sound. Critical bands correspond approximately to 1.5 mm spacing along the basilar membrane: Approximately there are 24 non overlapping critical bands. 2 B( f) = 13arctan( f) + 3.5*arctan(( f / 7500) ) Bark The loudness of a complex sound depends on the number of activated critical bands. Tecnologías de la Voz Generación de la señal de voz: Producción

29 Sound Perception Pitch perception Pitch... Perception of sound frequencies depends on the frequency, loudness and waveform Frequency perception in based on the position of the maximum excitation of the basilar membrane. Pitch unit: mel 1000 mel is the frequency sensation of a tone of 1 khz m f = 2595 log loudness dependence f < 300 increase of the loudness level -> pitch decrease f > 4000 increase of the loudness level -> pitch increase

30 Hearing Aids Sordera, tipos: 1. De transmisión, trastornos en la conducción aérea (otitis, obstrucciones) suelen ser temporales 2. De percepción, trastornos en la conducción ósea y aérea, afección en la cóclea. Puede ser irreversible. Soluciones: 1. los implantes Cocleares Estimular directamente las neuronas auditivas que permanezcan sanas 2. Amplificadores (Sonotone), no útil para sorderas profundas

31 Hearing Aids Esquema de dos alternativas de implante

32 Hearing Aids Tecnologías de la Voz Generación de la señal de voz: Producción

33