Psychoakoestiek Armin Kohlrausch Philips Research Europe Eindhoven en Technische Universiteit Eindhoven Universität Göttingen, 1979 armin.kohlrausch@philips.com
Inleiding Psychoakoestiek: Wetenschap, die een kwantitatief en kwalitatief verband legt tussen Fysieke eigenschappen van geluid, en de Waarneming door de mens Dit gebeurd door luisterexperimenten in heel goed gecontroleerde akoestische omgevingen Met gepaste experimentele methodes, om bijv. response bias (je hoort wat je verwacht) uit te sluiten Psychoakoestiek en technisch vooruitgang zijn nauw met elkaar verbonden Bell labs (US, ~1914): Horen, spraak in de context van communicatie Philips (~ 1930): Electroakoestiek en ruimtelijk horen, beginnende stereofonie Wereldwijd (na ~ 1988): Efficiënte digitale audio representatie Philips Research Europe Eindhoven en Technische Universiteit Eindhoven, 2
Een van de eerste kunsthoofden, Kornelis de Boer, Philips Research ca. 1935 (promotie TH Delft 1940) Aanbevolen literatuur: Stephan Paul: Binaural recording technology: A historical review and possible future developments Philips Research Europe Eindhoven en Technische Universiteit Eindhoven, 3
Onderwerpen van psychoakoestisch onderzoek Welke akoestische stimuli kunnen (normaalhorende, jonge mensen) waarnemen? Frequentie, niveau Maar ook: minimale duur? Uit alle richtingen (triviaal bij het gehoor, maar denk aan het zien)? Ook tijdens het slapen? Wat veranderd hiervan bij slechthorendheid? Saskia s presentatie Hoe goed kunnen wij op elkaar lijkende geluiden onderscheiden? Wordt de akoestische waarneming beïnvloed door gelijktijdige stimuli in andere modaliteiten (buiksprekereffect, invloed op waargenomen richting) Hoe kunnen we de experimentele bevindingen Relateren aan de anatomie en de fysiologie van het gehoor? Door modellen beschrijven? Welke consequenties hebben deze bevindingen voor het design van technische systemen? Philips Research Europe Eindhoven en Technische Universiteit Eindhoven, 4
Voorbeeld 1: Het frequentie-oplossend vermogen van jullie gehoor Demonstratie 1: Frequentieverschillen tussen opeenvolgende tonen (= beperkte gevoeligheid voor frequentieveranderingen) Halve toon: 750 --> 795 Hz 16 paren van sinustonen: 750 Hz, 750+x Hz x neemt toe van 0 Hz tot 15 Hz 750, 751, 752, 753, 754, 755, 756, 757, 758, 759, 760, 761, 762, 763, 764, 765 Probeer mee te tellen, wanneer het verschil tussen referentie en test-sinus hoorbaar wordt Source: SUVA CD track 10 Philips Research Europe Eindhoven en Technische Universiteit Eindhoven, 5
Was dit wel het relevante experiment voor de praktijk? Vraag: Stemmen van snaren bij, bijv., viool (en familie) of guitaren? Is precisie van enkele Hz voldoende voor de muzikale praktijk? Hier worden de toonhoogtes afgestemd door het minimaliseren van zwevingen tussen boventonen! Demonstratie 2a: Zwevingen van gelijktijdig aangeboden tonen (= grote gevoeligheid voor kleine frequentieverschillen) Te horen zijn geluidtriplets: 750 Hz, 751 Hz, 750+751 Hz 7 verschillende waarden voor x: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15 Hz Hier is het onderscheidend vermogen (bijna) oneindig, als je maar de tijd neemt voor een lange zwevingperiode! Philips Research Europe Eindhoven en Technische Universiteit Eindhoven, 6
Voorbeeld 2: Hoe hoog is het tijdsoplossend vermogen? Sinds ca. 100 jaar is bekend, dat de mens kleine tijdsverschillen tussen signalen aan het rechter en linker oor kan onderscheiden! Drempelwaarden liggen bij ca. 10 µs! Systematisch samenhang tussen stimulusfrequentie en net waarneembare verandering (JND) in interaurale tijdsverschillen (ITD) Experimentele data uit de literatuur (open symbolen) en modelberekeningen (zwarte symbolen) Bron: Breebaart, van de Par, Kohlrausch. JASA (2001), vol. 110, pg. 1089-1104, Fig. 1b. Philips Research Europe Eindhoven en Technische Universiteit Eindhoven, 7
Relatie minimaal hoorbaar tijdsverschil en minimaal benodigde samplingrate bij digitale geluiden In het verleden, in de context van de discussie over de noodzaak voor veel hogere digitale samplingfrequenties (dan 48 khz) werd soms de volgende redenering toegepast: Het gehoor kan interaurale tijdsverschillen met een nauwkeurigheid van ca. 10 µs waarnemen. Tijdsduur 10 µs Frequentie 100 khz Om tijdssignalen met een precisie van 10 µs te kunnen representeren, is dus een samplingrate van minimaal 100 khz nodig. Klinkt overtuigend, maar berust op een misverstand op het gebied van de digitale signaal representatie. Philips Research Europe Eindhoven en Technische Universiteit Eindhoven, 8
Wat is fout aan deze eis? De pragmatische redenering: Hoe had men deze grote gevoeligheid voor ITDs überhaupt kunnen meten, als de apparatuur (vroeger analog, later digitaal) met veel lagere samplingrates dan nu geëist werkte? De wiskundige redenering: Om een sinussignaal van, bijv. 1 khz, volledig digitaal te kunnen representeren (met zijn amplitude en fase), is het voldoende, een samplingrate van net boven de 2 khz te gebruiken (Nyquist theorema). De digitaal realiseerbare tijdsvertraging wordt niet beperkt door de samplingduur (bij 2 khz 0.5 ms). De samplingrate heeft alleen invloed op het frequentiebereik, dat men correct (met amplitude en fase) kan weergeven! Philips Research Europe Eindhoven en Technische Universiteit Eindhoven, 9
Slotwoord Psychoakoestiek is een boeiend wetenschapsgebied op de grens tussen de mens en de techniek! Heelaas is de grote Nederlandse traditie op dit gebied (die mij lang geleden naar Nederland heeft getrokken) sterk aan het teruglopen (laatste voorbeeld TNO, Soesterberg). Buiten de audiologische onderzoeksgroepen bestaan bijna geen actieve onderwijs- en onderzoeksactiviteiten in Nederland Uitzondering: Mens-techniek interactie groep at TUe: http://hti.ieis.tue.nl/ Met de, volgens officiële Nederlandse accreditatiebeoordeling, op een na beste universitaire masteropleiding van alle 202 masters in Nederland! http://universitairemasters.nl/de_beste_opleidingen/ Philips Research Europe Eindhoven en Technische Universiteit Eindhoven, 10
Shepard pitch: hoor je wat je ziet (Escher s onmogelijke trap)? Philips Research Europe Eindhoven en Technische Universiteit Eindhoven, 11