Grundläggande ljud- och musikteori

Relevanta dokument
Grundläggande signalbehandling

Spektrala Transformer

Ljudlära. Ljud är Periodicitet. Introduktion. Ljudlära viktigt ur två aspekter:

Spektrala Transformer

Kapitel 2 o 3 Information och bitar Att skicka signaler på en länk. Att sända information mellan datorer. Information och binärdata

Kapitel 2 o 3. Att skicka signaler på en länk. (Maria Kihl)

Kapitel 2 o 3 Information och bitar Att skicka signaler på en länk. Jens A Andersson

Att fånga den akustiska energin

Kapitel 2 o 3 Information och bitar Att skicka signaler på en länk. Jens A Andersson

MEDIESIGNALER INTRODUKTION

Kapitel 2 o 3 Information och bitar Att skicka signaler på en länk. Jens A Andersson

Språkljudens akustik. Akustik, akustiska elementa och talanalys

Digital signalbehandling Digitalt Ljud

Föreläsning 10: Ljudkodning ( Audio Coding )

4/27/12. Fönstring i MDCT. Föreläsning 10: Ljudkodning ( Audio Coding ) 1. Inledning PCM, standardmetoder, MDCT, psykoakustik, ljudtryck

Tema - Matematik och musik

Ämnesområde Hörselvetenskap A Kurs Signalteori, 7,5 hp Kurskod: HÖ1007 Tentamenstillfälle

Digital kommunikation. Maria Kihl

Psykoakustik. Ljudtrycksnivå. Hörselns omfång. Hörnivå(loudness) Människans hörsel är ganska väl studerad och det finns bra modeller för den.

Digital kommunikation. Maria Kihl

Mätningar med avancerade metoder

Kihl & Andersson: , 3.1-2, (ej CDM) Stallings: 3.1-4, 5.1, 5.2, 5.3, 8.1, 8.2

Denna våg passerar mikrofonen, studsar mot väggen och passerar åter mikrofonen efter tiden

Elektronik. Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-

AD-DA-omvandlare. Mätteknik. Ville Jalkanen. 1

Ljudteknik. Digital representation. Vad är ljud?

Musikteori I. av Peter Mikkola. Peter Mikkola 1999 ISBN Tryck Enskede Offset AB. Kopiering förbjuden

Resttentamen i Signaler och System Måndagen den 11.januari 2010, kl 14-19

Idag. Tillägg i schemat. Segmenteringsproblemet. Transkription

TSBB16 Datorövning A Samplade signaler Faltning

Signaler och system, IT3

Kapitel 3 o 4 Att skicka signaler på en länk Tillförlitlig dataöverföring. Att göra. Att sända information mellan datorer

Ljudfysik Patrik Eriksson 2001

Föreläsning: Digitalt Ljud. signalbehandling. Elektronik - digital signalbehandling. Signal och spektrum. PC-ljud. Ton från telefonen.

Kapitel 3 o 4. Tillförlitlig dataöverföring. (Maria Kihl)

Ulrik Söderström 20 Jan Signaler & Signalanalys

A/D D/A omvandling. Lars Wallman. Lunds Universitet / LTH / Institutionen för Mätteknik och Industriell Elektroteknik

Ulrik Söderström 19 Jan Signalanalys

Elektronik Elektronik 2019

TENTAMEN. Kurs: Kursnummer: Audio&Videoteknik, 2D2021. Program: Åk: HME02 Åk 2. Datum: Tid: :00. Omfattning och betygsgränser:

Konvertering. (Conversion chapter 3, Watkinson) Sebastian Olsson Anders Stenberg Mattias Stridsman Antonios Vakaloudis Henrik Wrangel

Elektronik. Dataomvandlare

GRUNDKURS I SIGNALBEHANDLING (454300), 5sp Tentamen

2F1120 Spektrala transformer för Media Tentamen

Analogt och Digital. Viktor Öwall. Elektronik

Audio & Videoteknik 2D2021, 2D1518

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

Attila Szabo Niclas Larson Gunilla Viklund Mikael Marklund Daniel Dufåker. GeoGebraexempel

Pianostudio 1.0. Anders Svedberg. Höstterminen Sida 1 av 17. rev 1.02

Projekt 1 (P1) Problembeskrivning och uppdragsspecifikation

Akustiska elementa. Ljudvågor. Ljud och ljudvågor (ff) Ljud och ljudvågor. Ljud och ljudvågor (3) Ljud och ljudvågor (4)

Elektronik. Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-

TNMK054 - LJUDTEKNIK 1 FILTER OCH VCF

Hemtenta 2 i Telekommunikation

Människans hörsel är ganska väl studerad och det finns bra modeller för den.

Upp gifter. c. Hjälp Bengt att förklara varför det uppstår en stående våg.

Digital Signalbehandling i Audio/Video

Läsinstruktioner. Materiel

Tentamen i Signaler och kommunikation, ETT080

Ljud. Låt det svänga. Arbetshäfte

DIGITALA FILTER DIGITALA FILTER. Tillämpad Fysik Och Elektronik 1

Örat. Johnson, Kap 3. Basic audition

! Susanne Schötz! ! akustisk-fonetisk analys! ! grupparbete!! om vi hinner: introduktion till Praat (kort demo)!

Lab skapades Ove (Orator Verbis Electris) av Gunnar Fant, KTH.

Centralt innehåll. O Hur ljud uppstår, breder ut sig och kan registreras på olika sätt. O Ljudets egenskaper och ljudmiljöns påverkan på hälsan.

Faltningsreverb i realtidsimplementering

Kompletterande räkneuppgifter i Spektrala Transformer Komplex analys, sampling, kvantisering, serier och filter Laura Enflo & Giampiero Salvi

Elektronik 2018 EITA35

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

Talets akustik repetition

Vågor. En våg är en störning som utbreder sig En våg överför energi från en plats till en annan. Det sker ingen masstransport

Ämnesområde Hörselvetenskap A Kurs Akustik och ljudmiljö, 7 hp Kurskod: HÖ1015 Tentamenstillfälle 4

Elektronik Dataomvandlare

Signaler & Signalanalys

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 6 mars 2006 SVAR

Elektronik Dataomvandlare

Vocoding och frekvensskiftningsexperiment inom det audiologiska forskningsfältet Av Morgan Karlsson

MEMORERINGSARK Ackord-typer och Beteckningar

Elektro och Informationsteknik LTH. Laboration 6 A/D- och D/A-omvandling. Elektronik för D ETIA01

KÄLLA-FILTER. Repetition. Talapparaten i källa-filter perspektivet. Repetition (ff) Ljudkällor i talapparaten (ff) Ljudkällor i talapparaten

Lösningar ETS052 Datorkommunikation,

Elektronik. Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-

DT1120 Spektrala transformer för Media Tentamen

Elektronik Elektronik 2017

Nittontonsskalan. Kandidatuppsats Handledare: Lars Kjelldahl Examinator: Mads Dam

FREKVENSANALYS UPPGIFT 1 Operationsförstärkare 1 Elektrisk Mätteknik Milan Friesel

Lab 3. Några slides att repetera inför Lab 3. William Sandqvist

Fysiska lagret. Kanal. Problem är att kanalen har vissa begränsningar: Kanalen är analog Kanalen är bandbreddsbegränsad och är oftast störd (av brus)

Laboration 3: Musikbibliotek

Hörselkontroll Bullerskydd med öronproppar

Analys/syntes-kodning

Psykoakustik. Ljudtrycksnivå. Hörselns omfång. Hörnivå (loudness) Människans hörsel är ganska väl studerad och det finns bra modeller för den.

Elektro och Informationsteknik LTH Laboration 4 Tidsplan, frekvensplan och impedanser

SÄTT DIG NER, 1. KOLLA PLANERINGEN 2. TITTA I DITT SKRIVHÄFTE.

A/D- och D/A- omvandlare

Prov i vågrörelselära vt06 Lösningsförslag

4 Laboration 4. Brus och termo-emk

Frekvensplanet och Bode-diagram. Frekvensanalys

Mål med temat vad är ljud?

Laboration 3 Sampling, samplingsteoremet och frekvensanalys

Transkript:

Grundläggande ljud- och musikteori Jan Thim Magnus Eriksson Lektionens syfte Syftet med denna lektion är är att att ge ge förståelse för för decibelbegreppet, spektrum, digitalisering och och olika olika distorsionstyper. att att ge ge förståelse för för varför vissa vissa ljud ljud låter låter harmoniskt, och och andra disharmoniskt. att att ge ge en en uppfattning om om hur hur ett ett visst visst antal antal decibel, en en visst visst antal antal Hertz, osv, osv, låter. låter. att att ge ge exempel på påhur olika olika former av av distorsion kan kan låta. låta. De De ljudexempel som ges under lektionen finns tyvärr inte med i i denna powerpoint-presentation. 1

Exempel påp ljudnivå mätt i decibel Lövsus: 20 db ljudnivå, dvs 100 gånger så stark effekt som hörseltröskeln Decibelmåttet är logaritmiskt. Detta stämmer med hur örat uppfattar ljudstyrkeförändringar. Förstärkning rkning mätt m i decibel (db) 1 gång effektförstärkning = 0 db. 2 ggr effektförstärkning = 3 db. 10 ggr effektförstärkning = 10 db. 100 ggr effektförstärkning = 20 db. 1000 ggr effektförstärkning = 30 db. Osv. 2

Dämpning mätt m i decibel Dämpning 100 ggr = Dämpning 20 db = förstärkning 0.01 ggr = förstärkning med 20 db. Dämpning 1000 ggr = 30 db dämpning = -30dB förstärkning. En halvering av signalen = dämpning med 3dB = förstärkning med -3dB. Förstärkning rkning i decibel kan adderas! dvs dämpning 3 db dvs dämpning 3 db Total förstärkning: 3 + 7 3 = +1 db 3

Signal-brus-förhållande rhållande Ett signal-brus-förhållande på 100 db innebär att den starkaste signalen (musiken) är är 100 db starkare än bruset. Ljud som är är svagare än bruset hörs inte utan dränks i i bruset. Musikens dynamik är är skillnaden mellan det starkaste och svagaste ljudet som man kan höra, och är är vanligen ungefär detsamma som signalbrus-förhållandet. Sinusvågor eller tonen från n en flöjt Periodtid T = t 2 -t 1. Enhet: s. Frekvens f = 1/T. Enhet: 1/s=Hz. T=1/f. Amplitud eller toppvärde Û. Enhet: Volt. Fasläge: θ = 0 i ovanstående exempel. Enhet: Grader eller radianer. Påverkar enbart stereobilden! Momentan spänning: u(t)= Ûsin(2πft+θ) 4

Örat hör h r ljudets spektrum Spektrum: En stolpe för varje samtidig sinuston. 5

Periodiska vågformer har grundton och övertoner Grundton 440Hz Andra överton 1320Hz Första överton 880Hz Tillsammans 440Hz Animering av gitarrsträngens grundton och övertoner (s.k. flagionettonerna) samt summan av dem. 6

Fyrkantvågen eller tonen från n en klarinett Fyrkantvågens spektrum 7

Summan av fyrkantvågens tre första f deltoner Tonen A: Varför r låter l vissa klanger harmoniskt? 440 880 1320 1760 2200 2640 Tonen E: Frekvensen för A: 440Hz Frekvensen för E: 660Hz Frekvensförhållande mellan E och A: 660Hz 440Hz = 3 2. 660 1320 1980 2640 Flera övertoner har samma frekvens. Då låter det harmoniskt! Frekvensförhållandet är ett enkelt rationellt bråk. Då låter det harmoniskt! 8

Exempel: Varför r låter l vissa klanger disharmoniskt? Frekvensen för Ess: 622Hz Förhållande mellan Ess och A: 622Hz 440Hz =1.414= 2 Frekvensförhållandet är ett irrationellt tal, dvs det kan inte skrivas som ett enkelt bråktal. Då finns det inga gemensamma övertoner. Därmed låter klangen disharmoniskt. Musikaliska intervall (Överkurs)( Klangen av två toner som spelas samtidigt beror av deras intervall, dvs tonavstånd. Följande lista är de harmoniska intervallen först och de disharmoniska sist. Tonavstånd i halvtoner Frekvensförhållande Första sammanfallande delton Prim (två instrument tar samma ton) 0 0% Grundtonen Oktav 12 100% 1:a övertonen Kvint (Används ofta för att stämma instrument) 7 50% 2:a övertonen Kvart (Ingår i durackord) 5 33,33% 3:e övertonen Durters (Ingår i durackord) Mollters (Ingår i mollackord) 4 3 25% 20% 4:e övertonen 5:e övertonen Liten septima (Disharmoniskt) 10 77,77% 9:e övertonen Liten sekund (Mycket disharmoniskt) 1 1.059% Ingen! 9

Den tempererade 12-tonsskalan Ovanstående siffror gäller den rena 12-tonsskalan. Sedan 1700- talet används emellertid den tempererade tolvtonsskalan i västvärlden, för att en melodi ska klinga lika i alla tonarter. Där är frekvensskillnaden mellan varje halvton 5.9%. Exempel: Frekvensen för tonen ett - strukna A: 440Hz Tonen B ligger en halvton ovanför A. Frekvensen för B: 440Hz x där x = 1,059. Tonen H ligger två halvtoner ovanför A. Frekvensen för H: 440Hz x. 2 Varför r just 5.9%? (Överkurs)( Orsak till att x = 1,059: Frekvensen för tvåstrukna A är 2 440Hz = 880Hz Tvåstrukna A ligger 12 halvtoner ovanför ettstrukna A. Alltså är 2 440Hz = 440 x 12 2 = x x = 2 x = 12 12 112 / 2 10

Skillnad mellan skalorna Exempel: Tonen A och E är ett exempel på en kvint. En kvint är ett tonavstånd på 7 halvtoner (5 heltoner, därav namnet). I den tempererade skalan blir frekensförhållandet 1,059 = 1,498 I den rena (icke tempererade) skalan är frekvensförhållandet exakt 1,5 i kvinter som innehåller heltoner, men andra förhållanden för andra kvinter. Klangen blir olika i olika tonarter. 7 Exempel påp distorsionsformer Dämpning. Icke-rak frekvensgång. Fasdistorsion. Påverkar endast stereobilden. Harmonisk distorsion. Extra övertoner pga olinjära förstärkare. Intermodulationsprodukter. Inträffar om flera toner spelas i i samma olinjära förstärkare. Om tonerna ff 11 och ff 2 spelas 2 så såhörs en en tredje ton med frekvensen ff 11 -f -f 22.. Brus och störningar. T.ex. Vitt Vitt brus, brus, som som innehåller alla alla frekvenser, Rosa Rosa brus, brus, som som innehåller främst låga låga frekvenser. Nätbrumm, som som innehåller 50Hz med med övertoner. 11

Att digitalisera ljud Mikrofonmembranets läge Membranets Spänning Bitföljd Position 4 mm bakom -0.04 Volt 100 3 mm bakom -0.03 Volt 101 2 mm bakom -0.02 Volt 110 1 mm bakom -0.01 Volt 111 Viloläge 0 Volt 000 1 mm framför 0.01 Volt 001 2 mm framför 0.02 Volt 010 3 mm framför 0.03 Volt 011 2 mm framför Viloläge 2 mm bakom 3 mm bakom T s = 0,1ms 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms T = 0,4ms 0.5ms Tid 0.6ms Nästan sinusformat ljud med periodtid T = 0.4ms och frekvens f = 1/T = 2500 Hz = 2,5kHz. Samplingsperiod T s = 0.1ms, dvs samplingsfrekvens f s = 1/T = 10000 sampels/sek = 10kHz. Kvantisering (=avrundning) till 8 värden. Digitalisering ger 3 bit per värde: 101 000 010 110 000. PCM = Pulse Code Modulation = Digitalisering av analoga signaler Sifferexempel från CD-spelaren 1 0 011011010001... Mikrofon Sampler AD-omvandlare med seriell utsignal DAomvandlare Antivikningsfilter Interpolationsfilter Högtalare 20-20000Hz filter 44100 sampels per sek 16 bit per sampel dvs 44100*16 bit per sekund per kanal. 2 16 = 65536 spänningsnivåer 12

Vikningsdistorsion (aliasing) Exempel: Samplingsfrekvens 4000 sampels/sekund. Vi hör fel frekvens! Detta inträffar om man inte filtrerar bort frekvenser som är högre än halva samplingsfrekvensen. Jämför med film av hjul med ekrar som tycks snurra för långsamt, eller baklänges. Komprimering av ljud En CD-spelare kräver 16 bit per sampel x 44100 sampels per sekund x 2 kanaler = 1,4Mbps (miljoner bit per sekund). I bl.a. MPEG layer 2 (används på DVD-skivor, digital-tv och digitalradio) komprimeras datamängden till mellan 32Kbps och 384kbps (tusen bit per sekund) per ljudkanal. Man utnyttjar då örats maskeringseffekt, som gör att starka ljud dränker svaga ljud på närliggande frekvenser. S.k. delbandskodning används. En filterbank delar upp signalen i flera olika frekvensband. I delband där ljudet är starkt kan man ha högt kvantiseringsbrus utan att det hörs. Därmed krävs det färre bitar per sampel. Spektrum Hörs ej Frekvens 13

Distorsion till följd f av digitalisering Kvantiseringsdistorsion (kvantiseringsbrus) Avrundningsfelet låter låter ofta ofta som som ett ett brus. brus. Varje extra extra bit bit upplösning ger ger dubbelt så såmånga spänningsnivåer, vilket ger ger en en minskning av av kvantiseringsdistorsionen med med 6 db. db. 16 16 bit bit upplösning ger ger ett ett signal-brus-förhållande på påca ca 16*6 16*6 = 96 96 db db (beroende på påhur man man mäter detta detta förhållande.) Svaga ljud ljud avrundas bort, bort, eller eller dränks i i kvantiseringsbruset. Vikningsdistorsion Inträffar om om man man inte inte filtrerar bort bort frekvenser som som är är högre än än halva samplingsfrekvensen. Distorsion till till följd av av för hård komprimering Svaga övertoner avrundas bort, bort, och och ljudet blir blir dovt. 14