České akustické společnosti. Obsah

České akustické společnosti ročník 9, číslo 2

červen 2003

Obsah 66. akustický seminář Vlastimil Strnad

3

CD ROM věnovaný akustické problematice – lidskému hlasu Hana Sochorová a Josef Pešák

4

Okamžitá frekvence výstupního signálu elektrodynamického reproduktoru Instantaneous frequency of a signal from the output of an electrodynamic loudspeaker Josef Merhaut

7

Akustické listy, 9(2), červen 2003

c ČsAS

66. akustický seminář Ve dnech 13. až 15. května 2003 proběhl ve Šťáhlavicích, okres Plzeň – jih, 66. akustický seminář. Zabýval se problematikou hluku a vibrací z pohledu teorie, numerického modelování měření, legislativy a meřících přístrojů. Semináře se zúčastnilo 45 osob, členů i nečlenů ČsAS. Předneseno bylo 9 odborných příspěvků a presentovaly se dvě firmy. Významným doplněním semináře byly i dobře zorganizované exkurze do dynamické zkušebny ŠKODA Výzkum s. r. o. a následně do pivovaru Prazdroj v Plzni. Sborník byl z důvodu pozdějšího dodání podkladů vydán až následně a je účastníkům distribuován spolu s tímto číslem Akustických listů. Seminář lze z pohledu odborného i organizačního hodnotit jako zdařilý. Je příjemnou povinností poděkovat organizátoru semináře i exkursí a jejich sponzorování firmě ŠKODA Výzkum s. r. o., jmenovitě pak Ing. P. Budkovi a za organizaci odborné náplně Doc. Ing. O. Jiříčkovi, CSc. a Ing. J. Kozákovi, CSc. Vlastimil Strnad

3

c ČsAS


CD ROM věnovaný akustické problematice – lidskému hlasu Akustika je definována jako nauka o zvuku, jako část fyziky zabývající se studiem vzniku a vlastností mechanických kmitů o kmitočtech 1–1011 Hz. Zvukem označujeme mechanické kmity pružného prostředí, jejichž kmitočet je v mezích slyšitelnosti pro lidské ucho, tj. 16 Hz až 20 kHz. Část akustiky označovaná jako fyziologická akustika se zabývá vznikem zvuku v laryngu, hlasovém orgánu člověka a jeho vnímáním lidským uchem. Fyziologická akustika je jednou z kapitol předmětů biofyziky, fyziologie, ale také elektroakustiky apod. V rámci doktorského studia ve studijním programu lékařská biofyzika na Ústavu lékařské biofyziky Lékařské fakulty Univerzity Palackého v Olomouci byl připraven projekt, jehož cílem je vytvoření multimediální aplikace na CD ROM, která bude postihovat problematiku zobrazování laryngeálních fonačních funkcí z hlediska medicínského, fyziologického, fyzikálního, zasáhne i do oblasti filosofické disciplíny foniatrie apod. Lidský hlas a řeč je komplexním akustickým projevem. Podílí se na něm respirační, fonační a artikulační orgány [10]. Při řešení problémů tvorby hlasu a hlasových poruch se střetávají velmi odlišné vědní obory – medicína, fyzika, filosofie. Zobrazení a vysvětlení fonační funkce hrtanu je široká problematika, která zasahuje do mnoha dalších vědních oborů a každý z nich si zasluhuje samostatnou pozornost. V současné době není u nás k dispozici moderní ucelená publikace, která by problematiku postihovala ze všech těchto hledisek. Svou podstatou je problematika tvorby hlasu, zvuku velmi vhodná ke zpracování s využitím moderních prostředků pro tvorbu multimediálních aplikací [6].

karta, kvalitní monitor, jednotka CD ROM, herní zařízení, dostatečné místo na pevném disku. Takže, pokud si to shrneme, můžeme multimédia chápat jako spojení veškerých dostupných technologií k působení na smyslovou soustavu člověka za účelem efektivního přenosu informací [9]. Multimédia ale přinášejí ještě jednu důležitou vlastnost navíc – interaktivitu, možnost uživatele aktivně se účastnit a zasahovat, z pouhého pozorovatele se stává aktivní účastník. Před zahájením vlastní práce na aplikaci CD ROM věnovanému problematice lidského hlasu byl nejprve připraven podrobný scénář projektu, v průběhu práce postupně ještě docházelo k jeho úpravám a upřesňování. Základem bylo stanovení prvotní struktury prezentovaných informací, volba jednotlivých úrovní, podúrovní, naznačení vzájemné provázanosti [2]. Následovala příprava podkladů, textů, digitalizace zdrojů (grafika, video), grafický návrh, volba vývojového softwaru. Pro zpracování tématu práce bylo zvoleno prostředí Macromedia Authorware, Authorware Professional [1], což je vývojový prostředek, kdy má autor k dispozici objektově orientované prostředí, které umožňuje integrovat design (tvorbu obrazovky) s tvorbou struktury programu (scénářem). Jedná se o nástroj pro tvorbu multimediálních aplikací a je samozřejmě možné pracovat též s grafikou, s animací, se zvukem, s videozáznamem i s dalšími periferiemi1 . Při použití tohoto vývojového prostředí je možné aplikaci v budoucnu využívat také prostřednictvím Internetu, například může být dostupná v rámci univerzitních počítačových sítí.

S přívlastkem multimediální se v poslední době setkáváme poměrně často (multimediální prezentace, multimediální výuka, multimediální počítač, . . . ) Co si ale pod pojmem multimédia představit? Jedna z možných definic je uvedena v [7], kde je pojem multimédia definován jako oblast informační technologie charakteristická sloučením audiovizuálních technických prostředků s počítači. Multimediální systém je souhrn technických prostředků (např. počítač, zvuková karta, grafická karta nebo videokarta, kamera, CD ROM, v neposlední řadě programové vybavení a další) schopný provozovat audiovizuální prezentaci v interakci s uživatelem. Moderní systémy již bývají vybavovány alespoň základními technickými prostředky pro provozování multimediálních aplikací. Názory na přesnou definici jsou odlišné, vždy však zahrnují spojení pohyblivého Obrázek 1: Ukázka pracovního prostředí Authorware Proobrazu, vysoce kvalitního zvuku a počítače jako řídicího fessional systému. V roce 1990 byl zaveden standard MPC – udával, jaký hardware je nezbytný při pořizování multimediálního počítače. Následně byl tento standard upravován (MPC2, MPC3). Základními požadavky jsou dostatečně rychlý procesor, zvuková karta, reproduktory, výkonná grafická 4

1 Zkušební verze programu Macromedia Authorware 5.2, která zde byla v první fázi vývoje aplikace použita, je plně funkční verzí, která po nainstalování funguje po dobu 30 dní. Všechny funkce i nástroje odpovídají komerční verzi. Zkušební verze jsou poskytovány pouze za účelem testování (vyzkoušení možností vývojového prostředí) a nelze je používat ke komerčním účelům


c ČsAS

Scénář aplikace se vytváří na časové ose, na kterou se myší umisťují ikony jednotlivých akcí [4]. Celkem třináct ikon (obr. 1) reprezentuje základní programové struktury s jejichž pomocí lze vybudovat i velmi rozsáhlé aplikace. Jakmile je vytvořena základní kostra (struktura) programu pomocí vývojového diagramu, doplňuje se samotný obsah – text, obrázky, pohyblivý digitální obraz a zvuk (obr. 2). Ke zpracování vlastní obsahové náplně aplikace byly využity různé zdroje: • • • •

klasické tištěné materiály2 videozáznamy zvukové záznamy Internetové zdroje [3], [4]

oborů. Tento komplexní pohled umožňuje vidět fonační funkci hrtanu v souvislostech a jednoduše a pomocí nástrojů vývojového prostředí pro tvorbu multimediálního programu poskytuje možnost okamžitě nahlédnout do jiné oblasti, jiného vědního oboru a vybrat si údaje, které v daném okamžiku doplní sledovanou problematiku.

Reference [1] Authorware – základní informace. [online] Dostupné z www.digitalmedia.cz/macromedia/software/authorware/index.htm, [cit. 27. 8. 2001] [2] BRDIČKA, B.: Zásady tvorby výukových programů. [online] Dostupné z www: web.3zscv.cz/Skola/IF/apzasady.htm [cit. 17. 12. 2002] [3] HLAVENKA, J.: Poznáváme Internet. Praha: Computer Press, 2000 [4] KASAL, P., SVAČINA, Š. a kol.: Internet a medicína. Praha: Grada Publishing, 2001. ISBN 80-247-0119-7 [5] KOLEKTIV AUTORŮ Macromedia Authorware 5 Attain. San Francisco: Macromedia Inc., 1998 [6] SOCHOROVÁ, H.; PEŠÁK, J.: Multimédia – jejich možnosti a přínos oboru foniatrie. In Sborník přednášek XII. celostátních foniatrických dnů E. Sedláčkové. XII. celostátní foniatrické dny E. Sedláčkové, 1 až 3. listopad, 2001, 1. vyd., Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2001, s. 50–51, ISBN 80-244-0343-9

Obrázek 2: Vkládání externě připravené grafiky – úvodní [7] Výkladový slovník živě. [online] Dostupné z www: obrazovka projektu http://zive.cpress.cz/mod Dictionary/ [cit. 27. 8. 2001] Aplikace je ve své podstatě postavena tak, že nebrání [8] SOKOLOWSKY, P., ŠEDIVÁ, Z.: Multimédia: současdalšímu doplňování informací a nových poznatků. Ve své nost budoucnosti. Praha: Grada, 1994, ISBN 80-7169první verzi je rozdělena na základní kapitoly: Anatomie -081-3 a fyziologie, Fyzikální úvod, Biofyzika, Lingvistika, Neurofyziologické aspekty tvorby řeči a doplňkové části Vývoj [9] LEWIS, CH.: Multimédia. [překlad Jiří Bartoň], 1. vyhlasu a Registrace a analýza hlasu. dání, Praha: Ikar, 1998, ISBN 80-7202-287-3 Celý projekt je koncipován jako otevřený systém. Aplikace si v žádném případě nečiní nároky na poskytnutí [10] PEŠÁK, J.: Tvorba lidského hlasu I. Pelikán, akademický bulletin UK 2. lékařské fakulty. Praha: Univerzcela kompletních a vyčerpávajících informací – spíše se zita Karlova v Praze 2. lékařská fakulta, roč. 10, 2002, snaží naznačit cestu, kterou je možné informace poskytočíslo 2, str. 10–13 vat, dále doplňovat a šířit především pro studijní a výukové účely a ukázat možnosti, které se v této oblasti naProjekt byl připraven s podporou výzkumného záměru bízejí. CEZ: J14/98: N30000018 „Integrované studium hlasu CD ROM by měl být především studijním materiáa řeči . lem ke zkoumání problematiky tvorby hlasu, dílem, které umožní spojovat souvislosti i ze zcela odlišných vědních Hana Sochorová 2 Česká literatura v klasické „papírové podobě věnující se tvorbě [email protected] hlasu není příliš rozsáhlá. O fyzikálních principech tvoření hlasu lze Zdravotně sociální fakulta Ostravské Univerzity nalézt pouze stručné informace, případně se jim věnují části učebnic Katedra vyšetřovacích metod a lékařské biologie

akustiky (fyziologická akustika). Ačkoliv je tvorba lidského hlasu biofyzikálním dějem, v učebnicích biofyziky je této oblasti věnována velmi malá pozornost, většinou pouze stručně v souvislosti s funkcí dýchacího systému. Ani v učebnicích fyziologie není této kapitole věnována dostatečná pozornost. Podrobný popis fonačního ústrojí najdeme v učebnicích anatomie, ty se však věnují statické podobě a neuvádějí informace o vlastní produkci zvuku, hlasu.

Josef Pešák [email protected] Lékařská fakulta Univerzity Palackého v Olomouci Ústav lékařské biofyziky

5

Akustické listy, 9(2), červen 2003, str. 7–10

c ČsAS

Okamžitá frekvence výstupního signálu elektrodynamického reproduktoru Josef Merhaut Dvouletky 341, 100 00 Praha 10 email: [email protected] The paper deals with the theoretical analysis of the instantaneous frequency of a signal from the output of an electrodynamic loudspeaker, when activated at its input with a harmonic tone of a given constant frequency. There is shown that in the transient part of its time-dependence, the frequency of the transmited tone is necessarily somewhat changed. The paper is appended with the graphical results of the quantitative calculation concerning two typical cases of the low-tone electrodynamic loudspeaker types.

1. Úvod Práce o které zde jednám navazuje na mou dřívější činnost, o které jsem v Akustikých listech již referoval [1]. Tehdy jsem se zabýval, mimo jiné, rovněž transientní odezvou sinusového signálu z elektrodynamického reproduktoru. Rozdíl je pouze v tom, že v tomto článku jednám o reproduktorech hlubokotónových, s rezonanční frekvencí velice nízkou, s dosti velkým tlumením. Z důvodů, které z práce vyplynou, používám zde nesymetrické časové okno, kterým se na vstup reproduktoru dává harmonický signál určité konstantní frekvence v počátku a trvá do nekonečna. Tím se toto studium liší od většiny metod, které obvykle používají okno impulsního charakteru a také zde nepoužívám, jako ostatní práce [2, 3] Wignerovu distribuci z důvodů, o kterých jsem v Akustických listech již psal [4]. V popisu studia zde dále uváděném ukazuji, že v náběhovém oboru, ve které se setkáváme s dříve popsanou transientní komponentou, jež má původ v reproduktoru, dochází nejen ke změnám velikosti, ale také k určitým změnám frekvence výstupního signálu. Domnívám se, že tyto, byť malé změny, mohou mít určitý vliv z hlediska psychoakustického.

2. Výpočetní metoda Při analýze, která následuje, vycházím ze známého analogického schéma reproduktoru, jak bylo uvedeno [1]. Z něho vyplývá pro frekvenční charakteristiku elektrodynamického reproduktoru tam uvedený výraz (16), ve kterém značí R1 = (Bl)2 /r1 , v němž je r1 mechanický odpor, a dále C1 = m1 /(Bl)2 a L1 = c1 (Bl)2 , kde m1 je hmotnost a c1 je poddajnost kmitající části soustavy. Vyzařovací impedance je pak dána paralelním spojením mechanického odporu rv a hmotnosti mv , nahrazenými na elektrické straně odporem Rv a kapacitou Cv zapojenými v serii. Ve schématu pak re představuje elektrický odpor kmitací cívky. Výstupní akustický tlak z reproduktoru je úměrný proudu, který protéká prvky jež nahrazují vyzařovací impedanci: Cv , Rv . Frekvenční přenos je proto určen poměrem tohoto proudu a vstupního napětí a platí pro něj Přijato 11. dubna 2003, akceptováno 10. května 2003.

Bl Rv +

Kf = 1+

1 jωCv

Re Re + + jωC1 Re + R1 jωL1

Re Rv +

.

(1)

1 jωCv

Pro výpočet časové odezvy byl použit operátorový počet viz např. [5]. Pro ten z rovnice (1) vyplyne výraz Ks = Bl

sCv , Re Re 1+ + + sC1 Re + sCv Re R1 sL1

(2)

který je uveden v [1] jako rovnice (17). Ve výrazu (2) je opět zanedbáno Rv . To je potřeba pro usnadnění pozdější zpětné Laplaceovy transformace. Toto zanedbání je přípustné, protože další výpočty budou použity pro frekvence značně nižší než je kritická frekvence reproduktoru. Předpokládáme, že se na vstup reproduktoru připojí harmonický signál s určitou fixní frekvencí fi , jehož amplituda je nasazena exponenciálně, vždy v počátku, vyjádřený výrazem yi = (1 − e−at ) sin (2πfi t − tiv ) ,

(3)

ve kterém a je zvolená konstanta a tiv představuje časový posuv a ovlivňuje tedy fázi signálu. Jestliže označíme Laplaceovu transformaci předmětu yi z rov. (3) symbolem Yi , pak součin Ks Yi představuje obraz výstupního signálu a jeho zpětnou Laplaceovou transformací je výstupní signál v časové doméně: Kc . Předpokládejme, že je dán výrazem Kc = 1 − e−at sin (2πf t − ti ) .

(4)

Jako příklad je na obrázku 1 uveden průběh Kc získaný z rovnice (4) pro a = 300 a ti = 0, z něhož transientní část je na obrázku 2. Z průběhu křivky na obrázku 1 vidíme, při porovnání s obrázkem 2, že její průchody nulovou hodnotou nejsou 7

J. Merhaut: Okamžitá frekvence výstupního . . .

c ČsAS


3. Výsledky analýzy na hlubokotónových reproduktorech V této kapitole uvádím výsledky analýzy na dvou reproduktorech s dosti nízkou rezonanční frekvencí, provedené způsobem popsaným v kapitole předchozí. V obou přípaObrázek 1: dech jde o elektrodynamický reproduktor s aktivním poloměrem membrány R = 15 cm a odporem kmitací cívky 8 Ω. Prvý z nich má rezonanční frekvenci ve vakuu 60 Hz a jeho kmitací systém vykazuje menší tlumení. Jeho frekvenční charakteristika vypočtená z rovnice (1) je na obrázku 3. Pro úplné analogické schéma platí dolní křivka, horní je pro případ zanedbání odporu Rv , jak bylo použito pro výpočet časové odezvy, z důvodu umožnění Laplaceovy transformace. To je přípustné, protože odezvu počítáme z budicího tónu, jehož frekvence je značně nižší, Obrázek 2: než je kritická frekvence reproduktoru. Průběh okamžité frekvence časové odezvy pro tento rezpočátku v čase zcela stejně vzdálené, mění se s časem. produktor je vynesen pro tranzientní časový obor na obTakže jde o okamžitou frekvenci, která je závislá na čase rázku 4, a to pro případ frekvence budicího signálu 100 Hz t a má definici [2] a 65 Hz. (Stupnice časové osy je v sekundách.) Další dva obrázky se týkají reproduktoru stejných rozd [ϑ (t)] . (5) měrů, ale s větším tlumením (zvýšený odpor r ) a s rezofi = 1 2πdt nanční frekvencí 40 Hz, jehož frekvenční charakteristika je Přitom ϑ (t) má význam celkové fáze harmonické funkce. na obrázku 5. (Opět pro oba případy.) Změny frekvence závisí zřetelně na hodnotě tranzientní Časové odezvy z tohoto reproduktoru jsou vyneseny na části uvedené v obrázku 2. Podle toho, je-li kladná nebo obrázku 6 a to pro frekvenci budicího signálu 100 Hz rezáporná, je okamžitá frekvence výstupního signálu z respektive 40 Hz. produktoru větší, nebo menší než frekvence budicí. Při všech výpočtech zde uvedených jsem používal čaDerivace výrazu (4) podle t je proto sový interval ∆t = 1 ms, nebo o něco málo větší.(V oborech méně strmého průběhu.) Kc = ae−at sin (2πf t + ti ) + + 1 − e−at cos (2πf t + ti ) 2π (f t + f ) . (6) 4. Závěr Z této rovnice je možné pro hodnoty, kde Kc prochází nulou, stanovit snadno okamžitou frekvenci výstupního signálu. Toto nastává v čase, kdy argument je takový, že sinus v rovnici (4) má hodnotu nula kosinus hodnotu jedna. (To platí ovšem při kompenzaci amplitudy signálu koeficientem N , kterým se vyrovná útlum způsobený měničem.) Protože derivace f v rovnici (6) způsobí poměrně malou změnu frekvence, lze ji předběžně zanedbat. Z rovnice (6) stanovíme výraz, ze kterého pak okamžitou frekvenci snadno vypočteme: N Kc = 1 − e−at 2πf .

Z předložené studie vyplývá, že u elektrodynamických reproduktorů dochází v transientní časové oblasti zákonitě k podstatné změně frekvence, tedy k frekvenčnímu zkreslení. Doba jeho trvání je u typických hlubokotónových reproduktorů v okolí rezonanční frekvence přibližně 50 ms. Míra tohoto zkreslení při tom souvisí s velikostí transientní části odezvy, jak jsem ji zavedl v práci [1]. Domnívám se, že by bylo vhodné, psychoakustickými testy zjistit vliv tohoto zkreslení.

Poděkování (7)

Uvedená studie byla zpracována v rámci výzkumného záZ rovnice (7) určíme okamžitou frekvenci výstupního sig- měru číslo MSM 511100001, řešeného Hudební fakultou nálu pouze pro hodnoty času při průchodu nulou. Pro AMU. ostatní hodnoty času mezi těmito body ji pak stanovíme tím, že nasazujeme postupně vstupní signál s jiným časovým posunem tiv , lišícím se o malé ∆t. Popsaný způsob má tu nevýhodu, že křivku vyjadřující průběh okamžité frekvence v tranzientní části určujeme bod po bodu. Pokud však tyto body spojíme krátkými úsečkami, respektujeme tím derivaci, kterou jsme v rovnici (6) zanedbali, protože tyto spojnice při dostatečně malých časových odstupech mají právě odpovídající směrnici. 8


c ČsAS


Obrázek 3:

Obrázek 4:

Obrázek 5:

9


c ČsAS


Reference [1] Merhaut J.: Porovnání časové odezvy signálu z reproduktoru elektrodynamického a elektrostatického, Akustické listy: 8(3), 2002, strana 5. [2] C.Janse, A.J.Kaizer: Time – Frequency Distribution of Loadspeakers, J.A.E.S. Vol.31, pp.198., Apr. 1983.

Obrázek 6:

[3] D.Preis, V.Georgopoulos: Wigner Distribution Representation and Analysis of Audio Signals, J.A.E.S. Vol.47, pp.1043, Dec. 1999. [4] Merhaut J.: Je Wignerova distribuce vhodná pro analýzu zvuku hudebních nástrojů?, Akustické listy : 7(2), 2001, strana 4. [5] Angot. A.: Užitá matematika pro elektrotechnické inženýry, SNTL, Praha 1960, strana 558.

10

Akustické listy: ročník 9, číslo 2 červen 2003 ISSN: 1212-4702 Vydavatel: Česká akustická společnost, Technická 2, 166 27 Praha 6 Vytisklo: Ediční středisko ČVUT Počet stran: 12 Počet výtisků: 200 c ČsAS Redakční rada: M. Brothánek, O. Jiříček, J. Kozák, R. Čmejla, F. Kadlec, J. Štěpánek, P. Urban Uzávěrka příštího čísla Akustických listů je 30. září 2003. NEPRODEJNÉ!

České akustické společnosti. Obsah

Recommend Documents