Percepção Auditiva

EPUSP - Guido Stolfi 1 / 81

LCSE P U SP

Percepção Auditiva

PTC3547 – Codificação e Transmissão Multimídia

Guido Stolfi – 6/2021


LCSE P U SPTópicos Abordados

• Fisiologia do Ouvido Humano

• Acústica Física

• Mascaramento

• Voz Humana e Vocoder

• Modelamento de Sistemas Dinâmicos

• Questões Polêmicas


LCSE P U SP

Fisiologia do Ouvido Humano


LCSE P U SPEstrutura do Ouvido Humano

cóclea

nervo

martelo bigorna canais semicirculares

janela oval

estribotímpano

janela circular

auditivatrompa

orelha

canal auditivo

osso da têmpora

lóbulo temporal


LCSE P U SPRepresentação Esquemática do Ouvido

15k 1k 60Hz2504k

~2,2 cm

~3 cm

Membrana Basilar

Janelas

canal

cóclea

nervos

Órgãos de Corti


LCSE P U SPResposta em Frequência do Canal Auditivo


LCSE P U SPOuvido Médio


LCSE P U SPEstrutura da Cóclea


LCSE P U SPA Cóclea Distendida


LCSE P U SPSecção da Cóclea


LCSE P U SPSecção da Cóclea


LCSE P U SPDetalhe dos Órgãos de Corti


LCSE P U SPCélulas de Corti


LCSE P U SPCélulas de Corti

Internas Externas


LCSE P U SPAtuação das Células Ciliares


LCSE P U SPAlguns Números:

• 3.500 Células Ciliares Internas

• 12.000 Células Ciliares Externas

• 30.000 Fibras Nervosas Aferentes:

– 90~95% provenientes das Células Internas

– Células Internas com até 20 sinapses

• ~500 Fibras Nervosas Eferentes:

– Destinadas às Células Externas


LCSE P U SPSeletividade da Membrana Basilar


LCSE P U SPSeletividade da Membrana Basilar


LCSE P U SPSeletividade das Células de Corti


LCSE P U SPResposta das Células Internas


LCSE P U SPCélulas Externas como Atenuadores


LCSE P U SPCélulas Externas como Atuadores


LCSE P U SPFunções das Células Ciliares

• Células Ciliares Internas: – Sensores

– Faixa dinâmica: ~ 20 a 60 dB

• Células Ciliares Externas:– Atuadores

– Responsáveis pela extensão da faixa dinâmica para até 120 dB

– Responsáveis pelo aumento de seletividade


LCSE P U SPEmissões Oto-acústicas Evocadas

TEOAE (Transient Evoked Oto-Acoustic Emission) - Evidências da atividade das células externas


LCSE P U SPBandas Críticas da Audição Humana


LCSE P U SPLimiar de Percepção de Frequências

Banda Crítica

DiferençaApenas

perceptível


LCSE P U SPResposta Temporal das Bandas Críticas

5 ms/div


LCSE P U SPDeterminação da Largura das Bandas Críticas

P=const.

1 2 3 4 5 6


LCSE P U SPDeterminação da Largura das Bandas Críticas

Largura de Banda

Niv

el S

on

oro

Bc


LCSE P U SPPós-processamento nos Gânglios Auditivos


LCSE P U SPPercepção de Direção (Azimute)

Baixas Frequências:Diferença de Fase

(tempo de Percurso)

Altas Frequências:Diferença de Intensidade

(difração)


LCSE P U SPPercepção de Ambiente: Reflexões Múltiplas

Som direto

Primeiroeco


LCSE P U SPPercepção de Direção (Elevação)


LCSE P U SPUm Diagrama de Blocos da Audição

Canalauditivo

Córtexauditivo

Núcleosnervosos

Membranabasilar

Células de Corti

E

D


LCSE P U SP

Acústica Física


LCSE P U SPPressão Sonora: Unidade de Medida

Pressão Sonora dbSPL onde Pa 20 20log ( )p

pp

oo

• Limiar de Audibilidade: 20 Pa rms = 2x10-5 N/m2 @ 1 kHz (1 pw/ m2)

• ( Pressão atmosférica: ~ 100 kPa )


LCSE P U SPNível Sonoro: Unidade de Medida

• Volume Sonoro = grandeza subjetiva associada à percepção sensorial da intensidade de um som

• 1 Phon = 1 dB SPL @ 1 kHz


LCSE P U SPSituações Sonoras

dB SPL dB SPL

Foguete 195 Conversação 65

Avião a jato 155 Restaurante 60

Limiar de dor 140 Residência urbana 40

Limiar de desconforto 120=1W/m2 Casa de campo 30

Orquestra fortíssimo 110 Orquestra pianíssimo 30

Rebitadeira 100 Estúdio de gravação 20

Fábrica 78 Folhagens na brisa 10

Tráfego pesado 68 Limiar de audição 0=1pw/m2

Escritório ruidoso 65 Ruído térmico do ar -10


LCSE P U SPCurvas de Igual Volume Sonoro (tons senoidais)


LCSE P U SPFaixa Dinâmica para Música e Voz


LCSE P U SP

Mascaramento


LCSE P U SPMascaramento para Tom Senoidal


LCSE P U SPResposta da Membrana Basilar para 2 Tons

Janela

Oval

15 kHzf2 f 1

60Hz

f2

f2 f 1

(a)

(b)

(c)

f 1


LCSE P U SPExemplo de Mascaramento


LCSE P U SPCurvas de Mascaramento (ex.)


LCSE P U SPEvidências de Distorção Aural

10 dB

20 dB


LCSE P U SP

A Voz Humana e o Vocoder


LCSE P U SPA Voz Humana


LCSE P U SPCaracterísticas Espectrais da Voz

t

f

Fundamental:100-150 Hz (M)200-300 Hz (F)

Formantes:250-800 Hz (1)800-2300 Hz (2)2200-3000 Hz (3)


LCSE P U SPCaracterísticas das Formantes Espectrais

“a” “i” “u”


LCSE P U SPEspectrograma (Tempo / Frequência) da Voz


LCSE P U SPInteligibilidade da Fala


LCSE P U SPSíntese de Voz (Vocoder)

frequência

ganho

ruído

formantesvogais


LCSE P U SP

Modelamento de Sistemas Dinâmicos


LCSE P U SPModelamento de Sistemas Dinâmicos

• Modelo Elétrico de um Sistema Mecânico

– Corrente velocidade

– Tensão fôrça

– Carga Deslocamento

– Resistência Atrito Viscoso

– Indutância Massa

– Capacitância Compliância (Elasticidade-1)


LCSE P U SPAnalogias Dinâmicas

• Indutância

• Capacitância

• Resistência

• Massa

• Compliância

• Viscosidade

dt

diLe

dt

dvMf

dtiCC

qv

1dtv

CC

xf

MM

1

iRe vRf M


LCSE P U SPModelo de um Alto-Falante


LCSE P U SP

Questões Polêmicas


LCSE P U SPQuestões Polêmicas

• Digital x Analógico

• Frequência de Amostragem

• Audibilidade de Fase

• Audibilidade Ultrassônica

• Falhas na Caracterização

• Sutilezas


LCSE P U SPDigital x Analógico

0

10

20

30

40

50

60

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

S/(N+D) (dB)

V. U. - Volume Units

Relação Sinal / Ruído+Distorção

Gravação Analógica:Ruído altoDistorção harmônica suave


LCSE P U SPDigital x Analógico

Gravação Digital:Ruído baixoDistorção dura (“clipping”)


LCSE P U SPFrequências de Amostragem para Áudio

Tecnologia Época Fa (kHz) Bits Banda

Telefonia Digital ~1960 8 8 300 ~ 3400 Hz

Celular Digital ~1990 16 8 100 ~ 7000 Hz

CD ~1980 44,1 16 20 ~ 20000 Hz

DAT ~1990 48 20 20 ~ 20000 Hz

Produção Digital ~2000 96 24 5 ~ 24000 Hz

DVD-Audio ~2000 192 24 5 ~ 50000 Hz

SACD ~2000 2822,4 1 0 ~ 100 kHz


LCSE P U SPÉ Necessário Amostrar em 96 kHz?

fa = 48 kHz

fa = 96 kHz


LCSE P U SPVantagens da Amostragem em 96 kHz

48 kHz20 kHz 28 kHz

f

96 kHz20 kHz 76 kHz

f

44,1kHz20 kHz 24,1 kHz

f


LCSE P U SPFiltro para 44,1 kHz


LCSE P U SPFiltro Digital em Conversor A/D

Burr-Brown ADS1271


LCSE P U SPQuestões Polêmicas – Audibilidade de Fase

PressãoSonora

ImpulsosNervosos


LCSE P U SPDeterminação de Direção pela Defasagem

D

E

D

E


LCSE P U SPFase Relativa de Harmônicas

100 Hz

100 Hz

200 Hz(+)

200 Hz


LCSE P U SPFase Relativa de Harmônicas

100 Hz

100 Hz

200 Hz(-)

200 Hz


LCSE P U SPExperimento: Audibilidade de Fase

0O @ 10 Hz

2000O @ 10 kHz

0O 10-20kHz

A

B


LCSE P U SPCondições de Audibilidade de Fase

100 Hz

200 Hz(+/-)

2a. harmônica

aural

200 Hzresultante


LCSE P U SPExperimento: Audibilidade Ultrassônica

0-20 kHz

20-50 kHz A

B


LCSE P U SPCondições de Audibilidade Ultrassônica

22 kHz

24 kHz


LCSE P U SPAudibilidade Ultrassônica: Distorção Aural

22 kHz+

24 kHz

Apósdistorção

aural

2 kHz audível


LCSE P U SPCaracterização e Medições

Amplificador OTL (Output TransformerLess)

Potência: 50 Watts @ 4 Resposta em Frequência:20 Hz a 30 kHz +0/-1 dB

Distorção: < 0,01% @ 30WRuído: < -95 dBHum: < -80 dBAmortecimento: > 20x

Som: Ruim.


LCSE P U SPCaracterização e Medições

Comportamento em um transiente


LCSE P U SPAudibilidade da Qualidade de Conexões (JAES 06/2021)


LCSE P U SPAudibilidade da Qualidade de Conexões

A B

A. “Virtuoso Straight-Wire”, 50 cm, Balanceado, XLR, isol. Teflon, US$ 500,00

B. “Monster Cable Interlink 400”, 2 m, desbalanceado, RCA, isol. PE, US$ 50,00


LCSE P U SPAudibilidade da Qualidade de Conexões

Documents

Percepção Auditiva