Audio - Inżynieria

[barbie]

Dzięki za wsparcie i obronę!

[barbie]

Dla KaKa i innych "niewiernych Tomaszów" (sam mam tak na imię ):

Jourdain, R., Music, the Brain and Ecstasy, Avon Books, New York, 1997

Oj wiele, wiele ciekawych rzeczy - i to popartych dowodami!

[KaKa]

KaKa:
Czyli nie takiej, że Pan Józiu mieszkający w Brukania Faso mówił że...
Wybacz, ale to nie jest żaden argument.

Wiem że nie jest. Tą drobną ironią którą napisałem prosiłem o to aby podawać jakiekolwiek wynik prac w załącznikach, a nie uzasadniać swoich poglądów "bo Pan J..."

Otóż NIGDZIE nie napisałem, że człowiek (nb. nie z Burkina Faso, tylko z California Technology Institute w skrócie CalTech - to taka sobie "nic nie znacząca szkółka") twierdzi, że słyszy 25 kHz. Wręcz przeciwnie - podaje, że na audiometrze jego granica słyszalności to 13 kHz!

Wiem co to CalTech .

Twierdzi natomiast (i przytacza konkretne prace!), że istnieje wiele danych, iż człowiek jest w stanie odróżnić dźwięk, z którego "wycięto" bardzo wysokie harmoniczne, od takiego, w którym je pozostawiono. A czy one są w dźwięku? No to spójrz na załączony wykres (załączam Ci także adres Autora - bynajmniej nie z Burkina Faso).
W pełnych rozmiarach znajdziesz go na http://www.cco.caltech.edu/~boyk/spectra/spectra.htm

O więcej prac na ten temat możesz zapytać Google...

Lingwista ze mnie marny. Zrozumiałem tylko że instrumenty generują dźwięki pow. 20kHz. Ale skoro twierdzi, że na audiometrze słyszy do 13kHz, to w jaki sposób odczuwa jeszcze wyższe dźwięki? I dlaczego skoro potrafi rozróżnić dźwięk z okrojonymi harmonicznymi pow. 25kHz, to nie słyszy/odczuwa (bo słyszeniem tego bym już nie nazwał) tego jak ktoś gwiżdże specjalnym gwizdkiem na psy który pracuje pow. granicy słyszalności ucha ludzkiego? Choć niektórzy nastolatkowie go słyszą

[barbie]

Właśnie to jest dziwne -
z jednej strony ograniczenie słyszalności następuje dość nisko (u takiego starego pryka jak ja szczególnie), ale to jest mierzone dla fali monochromatycznej (czyli o określonej wysokości).
Natomiast dźwięk rzeczywisty (także muzyczny) to zupełnie inna bajka. Na załączonym wykresie widać, że to prawie same harmoniczne!
I teraz jeśli zrobimy taki prosty eksperyment - nagramy ton np. 3520 Hz z generatora - to mamy tylko częstotliwość podstawową. Ten sam ton 3520 Hz to najwyższe "a" na klawiaturze fortepianu. A więc:
2 harmoniczna to ponad 7 kHz
3 - ponad 10 kHz, a 5 - 17,6 kHz i 7 - prawie 25 kHz.
I tu następuje tak zwany "opad szczęki". Jeśli na odpowiedniej aparaturze (dlatego pisałem o odpowiednich przyrządach) nagra się ten ton np. w zakresie do 40 kHz, a potem odtworzy (też oczywiście na odpowiednim sprzęcie), to okazuje się, że znakomita większość ludzi uchwyci różnicę barwy jeśli "wytniemy" filtrem tą 7 harmoniczną (i wyższe). Nie oznacza to bynajmniej, że słyszą ultradźwięki - bo sinusoidy 25 kHz ci sami ludzie nie słyszą, co oczywiście zgadza się z tym, co piszesz.
A harmonicznych w dźwięku muzycznym Ci dostatek - patrz załączony wykres - ton 662 Hz na fortepianie - 7 harmoniczna ma poziom około -32 dB, a więc całkiem sporo. To właśnie głównie dzięki harmonicznym rozpoznajemy barwę dźwięku - a spektrum tonu zagranego na fortepianie (lub na innym instrumencie) zależy dramatycznie od sposobu uderzenia w klawisz!
Tak więc sprawa nie jest taka prosta...Gwizdka na psa nie usłyszysz, a barwę wysokiego dźwięku rozróżniasz Czyli wysokie harmoniczne jakoś rejestrujesz...

[masater]

To chyba naturalne, że wyższe harmoniczne nawet jeżeli nie słyszane oddzielnie, wpływają na dźwięk słyszalny, powstają dudnienia i inne takie...

[Boski Miszcz]

No to ja jeszcze się dorzucę do wątku na temat właściwości i parametrów słuchu:
Próg słyszalności wynosi 2*10^-5 Pa czyli umownie 0dB (Stosunek natężeń rejestrowanych dźwięków jest rzędu 10^12 !! )-te minimalną wartość jest np osiągana przez niektórych młodych ludzi dla dźwięków długich (dla dźwięków krótszych od 0,3 s dziesięciokrotne skrócenie dźwięku pogarsza słyszalność o ok. 10dB) o częstotliwości ok 4kHz. Próg bólu czyli ciśnienie akustyczne, przy którym pojawia się odczucie bólu ucha to 110-140dB -zależy od częstotliwości dźwięku i wieku słuchacza.Najniższą częstotliwość dźwięku jaka wywołuje wrażenie akustyczne to 10-20Hz umownie 16Hz (są to tzw. Infradźwięki-nie tworzą one wiązek kierunkowych jak np ultradźwięki a rozchodzą się bardzo dobrze,nawet na ogromne odległości,niekiedy nawet wielu tysięcy kilometrów) ich wpływ na człowieka są bardzo niekorzystne ponieważ wywołują one trudności ze skupieniem uwagi,rozdrażnienie,zaburzają one pracę narządów wewnętrznych-infradźwięki są też wywoływane przez m.in fale przyboju,ruchy lodowców,zorze polarne,wiatr słoneczny,działający na górne warstwy atmosfery,prądy strumieniowe w stratosferze,ruch pojazdów,pracę silników odrzutowych-infradźwięki,ich źródła,rozchodzenie się w środowisku i dokładny wpływ na człowieka pozostają niedostatecznie poznane.Wybrany przeze mnie przykład infradźwięku: silny wiatr-zakres od 0,001 do 1Hz -wytwarzane przez cyklony,fronty atmosferyczne,tworzą się też na przeszkodach,np. na górach (halny) i budynkach.Fale o charakterze akustycznym mają częstotliwość powyżej 0,001Hz.
Najwyższa częstotliwość dźwięku wywołująca wrażenie akustyczne 16-20kHz-umownie 20kHz.Ta wartość jest rzadko osiągana przez ludzi a z wiekiem szybko się pogarsza, człowiek może rejestrować wibracje o częstotliwości nawet 100kHz, ale nie rozróżnia ich wysokości.
Rozdzielczość czasowa: minimalny odstęp czasu,by dźwięki już się nie zlewały to ok 0,03s-zjawisko decydujące o efektach pogłosu i echa.
Rozdzielczość kątowa: zdolność do rozróżniania kierunku źródła dźwięku-typowa wartość od 1 do 4 stopni- ocena kierunku jest dobra tylko w płaszczyźnie poziomej.
Rozdzielczość częstotliwościowa : rozróżnianie dźwięków różnej wysokości-ok 1Hz przy 1kHz-w całym zakresie częstotliwości człowiek odróżnia ok.3000 tonów -punkt dla audiofilii
Człowiek najlepiej słyszy w paśmie od 200 do 4000Hz - w tym paśmie zawiera się mowa ludzka.
Czyli na odbierany dźwięk wpływa mnóstwo parametrów dodatkowych, więc w w audiofilii na którą składa się trochę faktów technicznych z przewagą swoistego voodoo i ezoteryki jest ziarno prawdy nawet spore ziarno
Ps Co do tych "prymitywnych" przyrządów pomiarowych-mnie uczyli aby mówić prostych zamiast prymitywnych bo u niektórzy moi profesorowie twierdzą że słowo prymitywne jest obraźliwe i ordynarne-zgadzam się z nimi w tym przypadku więc wole używać nazwy proste przyrządy pomiarowe
Choćby nie wiem jak się starać by zbliżyć się do wykonania idealnego narzędzia pomiarowego- jest to niewykonalne już się z tym pogodziłem
Mogę się założyć że gdyby wykonać testy na wybranej grupie osób-powiedzmy ok. 100 składających się z ze zwykłych słuchaczy i audiofilii, z wykorzystaniem drogich wzmacniaczy,kabli i kolumn to po zebraniu wyników z kilku serii tzw. ślepych testów ,to rozkład prawdopodobieństwa rozróżnienia użytych elementów przyjąłby kształt rozkładu normalnego czyli rozkładu Gaussa.

[KaKa]

Właśnie to jest dziwne -
z jednej strony ograniczenie słyszalności następuje dość nisko (u takiego starego pryka jak ja szczególnie), ale to jest mierzone dla fali monochromatycznej (czyli o określonej wysokości).
Natomiast dźwięk rzeczywisty (także muzyczny) to zupełnie inna bajka. Na załączonym wykresie widać, że to prawie same harmoniczne!
I teraz jeśli zrobimy taki prosty eksperyment - nagramy ton np. 3520 Hz z generatora - to mamy tylko częstotliwość podstawową. Ten sam ton 3520 Hz to najwyższe "a" na klawiaturze fortepianu. A więc:
2 harmoniczna to ponad 7 kHz
3 - ponad 10 kHz, a 5 - 17,6 kHz i 7 - prawie 25 kHz.
I tu następuje tak zwany "opad szczęki". Jeśli na odpowiedniej aparaturze (dlatego pisałem o odpowiednich przyrządach) nagra się ten ton np. w zakresie do 40 kHz, a potem odtworzy (też oczywiście na odpowiednim sprzęcie), to okazuje się, że znakomita większość ludzi uchwyci różnicę barwy jeśli "wytniemy" filtrem tą 7 harmoniczną (i wyższe). Nie oznacza to bynajmniej, że słyszą ultradźwięki - bo sinusoidy 25 kHz ci sami ludzie nie słyszą, co oczywiście zgadza się z tym, co piszesz.
A harmonicznych w dźwięku muzycznym Ci dostatek - patrz załączony wykres - ton 662 Hz na fortepianie - 7 harmoniczna ma poziom około -32 dB, a więc całkiem sporo. To właśnie głównie dzięki harmonicznym rozpoznajemy barwę dźwięku - a spektrum tonu zagranego na fortepianie (lub na innym instrumencie) zależy dramatycznie od sposobu uderzenia w klawisz!
Tak więc sprawa nie jest taka prosta...Gwizdka na psa nie usłyszysz, a barwę wysokiego dźwięku rozróżniasz Czyli wysokie harmoniczne jakoś rejestrujesz...

Okej, zgadzam się z tym co napisałeś. Natomiast mam kolejne kilka pytań:
1) Wobec powyższego w jaki sposób człowiek słyszy harmoniczne powyżej pasma słyszalnego? Niemożliwe jest bowiem żeby je sobie uroił, ponieważ rozróżnia dźwięki bez harmonicznych i z nimi. Zakładając, że doświadczenie które opisałeś na poprzedniej stornie jest prawdziwe
2) Dlaczego inaczej słyszmy dźwięk monochromatyczny, a inaczej z harmonicznymi?
Mam pomysł na takie małe doświadczenie, jednak ja nie mam warunków do wykonania go . Chodzi o to aby nagrać (oczywiście na sprzęcie pomiarowym dobrej klasy) dźwięk fortepianu, niech to będzie "a", o f=3k250Hz. Następnie wrzucamy go do obróbki, może być cyfrowej i wycinamy 0>f>7k. Wydaje mi się, że pozostaną same harmoniczne. I co na podstawie tego usłyszymy?
Master A w jaki sposób Twój mózg zarejestruje te dźwięki? Ucho już ich nie słyszy...Poza tym dudnienie to zmiana intensywności częstotliwości wypadkowej dwóch tonów f1 i f2.
Niemożna tego powiedzieć o dźwięku podstawowym i jego harmonicznych ponieważ są one wielokrotnościami tonu podstawowego.

[barbie]

Boski Miszcz:
...Stosunek natężeń rejestrowanych dźwięków jest rzędu 10^12 !... i tak dalej
No właśnie - dorzućmy do tego jeszcze dewiację rzędu 10^3 (czyli odbiornik odbierający na jednym zakresie i to równocześnie fale długie i ultrakrótkie), wpływ infradźwieków (o którym też wspomina Boski Miszcz) i wielokrotnie raportowany wpływ ultradźwięków na wykresy EEG (badanie fal mózgowych) to mamy komplet - wiemy aż tak wiele i aż tak niewiele!
Czy np. to, że lubimy lampy nie jest związane z większym poziomem tolerancji na specyficzne zniekształcenia (patrz mój pierwszy post)?
Czy to, że dźwięk z płyty winylowej z dobrą wkładką jest inny (dla mnie lepszy) niż z CD nie jest przypadkiem wynikiem ostrego obcięcia pasma ze względu na częstotliwość próbkowania?
Nie chciałem rozpętywać natomiast dyskusji o kablach lewo- lub prawoskrętnych czy audiofilskich gałkach lecz zaproponować rozmowę o konkretach. Jeśli uważacie, że warto (a ja myślę, że warto - w końcu to amatorzy odbijali sygnał radiowy od Księżyca) to nazwa "Kącik Audiofilski" na forum technicznym może uzyskać właściwy sens.

Przepraszam za prymitywne przyrządy (sam uważam, że mam takie). Od jutra będą "proste" lub "o ograniczonych możliwościach"

[MarekSCO]

barbie

Przepraszam za prymitywne przyrządy (sam uważam, że mam takie). Od jutra będą "proste" lub "o ograniczonych możliwościach"

O nie Fizykowi się tak łatwo nie wybacza Proponuję takie rozwiązanie:
KaKa Niestety, ale barbie ma całkowitą rację z tym "słyszeniem"... Potrafię Ci to nawet udowodnić posługując się moimi "prymitywnymi" przyrządami... Ale mam nadzieję, że nie będzie to potrzebne Rozumiem, że kolega barbie udowodni rzecz teoretycznie ale...
Koniecznie z uwzględnieniem Prawa Webera-Fechnera
Słuchamy

[barbie]

KaKa
Chodzi o to aby nagrać (oczywiście na sprzęcie pomiarowym dobrej klasy)

No właśnie!
Na stronie http://www.silcom.com/~aludwig/EARS.htm znajdzie w dziale "Distortion" dwa pliki *wav z tonem na fortepianie (niestety niższym) - porównawczy i z wyciętymi harmonicznymi.
Po prostu je ściągnij, odtwórz i porównaj (najlepiej na dobrych słuchawkach).
Więcej poglądowych plików *wav (np. Vivaldi na triodzie SE, pentodzie PP i tranzystorze) znajdziesz na http://www.silcom.com/~aludwig/Sound_demos.html. Warto posłuchać.

Boski Miszcz wiele już napisał o dźwięku i uchu po polsku i chwała mu za to!

[KaKa]

MarekSCO Bardzo chętnie, choćby z czystej ciekawości wezmę w tym udział Przy okazji odwdzięczę się za oscyloskop(y)
A czy na swoich przyrządach masz możliwość wykonania doświadczenia które zaproponowałem kilka postów wyżej?
Natomiast, nikt nie udzielił odpowiedzi na pytanie: czym człowiek rejestruje tak wysokie harmoniczne

[barbie]

MarekSCO:
barbie udowodni rzecz teoretycznie ale...
Koniecznie z uwzględnieniem Prawa Webera-Fechnera
A skąd wiesz, że mam coś wspólnego z Fizyką Teoretyczną - wrodzona przenikliwość ?
Na układach biologicznych i ich odpowiedziach na bodźce fizyczne znam się dość słabo - a szkoda, bo przecież zaczynamy się poruszać w tym temacie. Tak więc prawo W-F zostawię na razie w spokoju .

Kaka:
Natomiast, nikt nie udzielił odpowiedzi na pytanie: czym człowiek rejestruje tak wysokie harmoniczne
Nie wiem jak! Znam tylko trochę (i to wyrywkowych, ale poważnych) doniesień na temat.

Ja tylko dłubię czasami sprzęt dla siebie (najchętniej oczywiście lampowy), żyję obecnie z komputerów (a nie lubię technologii cyfrowej w akustyce - o ironio losu). I chcę się po prostu dowiedzieć, czy warto zrobić wyścigowy SE na triodach (ale niekoniecznie 300B) z trafem do 30-40 kHz (da się zrobić - to wiem) i uzupełnić o niego swój Push-Pull aby otrzymać "audiofilski" biampling, który mam (oryginalny) w Beethovenie II z lat 1950 przygrywającym mi przed snem w sypialni).
A jako fizyk jestem do dziś ciekawy Świata i lubię wiedzieć Co, Jak i Dlaczego

[Boski Miszcz]

Różnica pomiędzy dźwiękiem z płyty winylowej a z CD wynika z tego że na winylu zapis jest analogowy i przez to ciągły a na CD jest zapisany w postaci cyfrowej. Sam zapis na CD pomimo swej bardzo dobrej jakości i brak szumów i trzasków które występują w przypadku taśm magnetofonowych i płyt winylowych, wprowadzają one zakłócenia wynikające z błędu kwantyzacji sygnału czyli błędy wprowadzane przez przetworniki A/D i D/A gdzie fala dźwiękowa która ma postać nałożonych na siebie wielu sinusoid o różnej amplitudzie i częstotliwości jest przetwarzana przez te przetworniki na postać cyfrową w przypadku zapisu na CD a potem przy odtwarzaniu jest spowrotem przetwarzana na postać analogową przez przetworniki D/A.Ta metoda jest stratna jak zresztą wszystkie metody zapisu dźwięku, ale pomimo braku szumów pojawia się owy szum kwantyzacji sygnału który przez wielu jest odbierany w taki sposób że ma się wrażenie że muzyka ma nienaturalny i jakby metaliczny dźwięk ,tak jest po pierwszym razie z płytą CD , potem człowiek się przyzwyczaja do tego, ale gdy ponownie sięgnie się do nagrań analogowych znowu po powrocie do Cd słychać różnicę.Winę ponoszą za to przetworniki A/D i D/A ponieważ same są obarczone ograniczoną dokładnością. A co do różnic pomiędzy wzmacniaczami-o ile tolerancja na zniekształcanie jest dosyć duża tak wszelka nieliniowość przenoszenia sygnału jest bardzo słyszalna że tak powiem.
PS Infradźwięki są odbierane głównie przez błędnik stąd wibracje wywołują kinetozę czyli tzw. chorobę lokomocyjną u większości ludzi długie wystawianie się na infradźwięki powoduje nudności,wymioty i rozdrażnienie czyli po prostu objawy choroby lokomocyjnej. Osobiście uważam że robienie wzmacniaczy przenoszące pasmo poniżej 25Hz nie jest zbyt dobre dla zdrowia psychicznego i fizycznego.

[Boski Miszcz]

Różnica pomiędzy dźwiękiem z płyty winylowej a z CD wynika z tego że na winylu zapis jest analogowy i przez to ciągły a na CD jest zapisany w postaci cyfrowej. Sam zapis na CD pomimo swej bardzo dobrej jakości i brak szumów i trzasków które występują w przypadku taśm magnetofonowych i płyt winylowych, wprowadzają one zakłócenia wynikające z błędu kwantyzacji sygnału czyli błędy wprowadzane przez przetworniki A/D i D/A gdzie fala dźwiękowa która ma postać nałożonych na siebie wielu sinusoid o różnej amplitudzie i częstotliwości jest przetwarzana przez te przetworniki na postać cyfrową w przypadku zapisu na CD a potem przy odtwarzaniu jest spowrotem przetwarzana na postać analogową przez przetworniki D/A.Ta metoda jest stratna jak zresztą wszystkie metody zapisu dźwięku, ale pomimo braku szumów pojawia się owy szum kwantyzacji sygnału który przez wielu jest odbierany w taki sposób że ma się wrażenie że muzyka ma nienaturalny i jakby metaliczny dźwięk ,tak jest po pierwszym razie z płytą CD , potem człowiek się przyzwyczaja do tego, ale gdy ponownie sięgnie się do nagrań analogowych znowu po powrocie do Cd słychać różnicę.Winę ponoszą za to przetworniki A/D i D/A ponieważ same są obarczone ograniczoną dokładnością. A co do różnic pomiędzy wzmacniaczami-o ile tolerancja na zniekształcanie jest dosyć duża tak wszelka nieliniowość przenoszenia sygnału jest bardzo słyszalna że tak powiem.
PS Infradźwięki są odbierane głównie przez błędnik stąd wibracje wywołują kinetozę czyli tzw. chorobę lokomocyjną u większości ludzi długie wystawianie się na infradźwięki powoduje nudności,wymioty i rozdrażnienie czyli po prostu objawy choroby lokomocyjnej. Osobiście uważam że robienie wzmacniaczy przenoszące pasmo poniżej 25Hz nie jest zbyt dobre dla zdrowia psychicznego i fizycznego.

[barbie]

Boski Miszcz
Różnica pomiędzy dźwiękiem z płyty winylowej a z CD wynika z tego że na winylu zapis jest analogowy
Przetworniki to jedno - z nimi można sobie na różne sposoby radzić, choć nie jest to takie proste i jest to temat na osobne opowiadanie.
Ale nie da się przeskoczyć (na klasycznym CD) częstotliwości próbkowania 44,1 kHz, z czego wynika bezpośrednio konieczność ostrego obcięcia pasma do 22 kHz (ze względu na twierdzenie Nyquista), zaś wkładka gramofonowa (nawet MM) z łatwością przenosi do 30 kHz (większość nowoczesnych nacinaczy też) i co chyba nawet ważniejsze spadek charakterystyki nie ma charakteru gwałtownego obcięcia. Dla kwadrofonii w latach siedemdziesiątych opracowano przetworniki gramofonowe przenoszące do 80 kHz.
W ogóle wydaje mi się, że każde gwałtowne (np. clipping) zmiany wychwytujemy bardzo dobrze, a z łagodne tolerujemy lepiej - to znaczy radzi prawdopodobnie nasz "komputer" w głowie jest w stanie przeprowadzić odpowiednią ich korekcję.