1

Fizyka słyszenia i 

Psychoakustyka

dr inż. Michał Bujacz

bujaczm@p.lodz.pl

Godziny przyjęć:

środa 10:00-11:00

czwartek 14:00-15:00 

„Lodex” 207 

2

Psychoakustyka

dziedzina nauki zajmująca się związkami 
pomiędzy falami dźwiękowymi 
docierającymi do uszu słuchacza 
(bodźcem) a subiektywnymi odczuciami 
słuchającego (wrażeniem)

2

3

Anatomia słyszenia

3

4

Ucho zewnętrzne 
- rezonator + antena

http://www.nidcd.nih.gov/Stat
icResources/health/hearing/i
mages/normal_ear.asp

Błona bębenkowa

Małżowina

Kanał słuchowy

5

Ucho środkowe 
- dopasowanie 
impedancji

http://www.nidcd.nih.gov/Stat
icResources/health/hearing/i
mages/normal_ear.asp

Kosteczki

6

Ucho wewnętrzne 
- analiza widma

http://www.nidcd.nih.gov/Stat
icResources/health/hearing/i
mages/normal_ear.asp

Ślimak

Kanały półkoliste 
(równowaga)

7

Ucho zewnętrzne - 
antena

Małżowina - kluczowa w 
słyszeniu przestrzennym

HRTF (head related transfer 
function)

8

Pomiary HRTF

9

Ucho zewnętrzne - 
rezonator

Słuch jest najbardziej 
wyostrzony dla około 3,000 
Hz

25-
30mm

10

Rezonatory

http://www.allaboutcircuits.com

11

Rezonator /4



c

f 

s

m

c

/

343



m

m

03

,

0

4

025

,

0







Hz

f

Hz

2850

3400





12

Ucho zewnętrzne

Słuch jest najbardziej 
wyostrzony dla około 3,000 
Hz

25-
30mm

Hz

mm 3000

~

28

2850Hz – 3400Hz

13

Ucho środkowe

Powietrz
e

Płyn

Niedopasowanie impedancji między powietrzem na 
zewnątrz a płynem wewnątrz ucha

Bez ucha środkowego, prawie cała energia odbijałaby 
się 

14

Impedancja akustyczna

Oporność falowa

Impedancja powietrza: 

Impedancja wody: 

v

Z



















2

420

m

s

kg

Z

p













2

1500000

m

s

kg

Z

w

15

Transmisja/odbicie 
mocy

001

.

0

1

2

























pow

wod

pow

wod

Z

Z

Z

Z



Współczynnik transmisji 
(1 - współczynnik odbicia)

Ile to w decybelach?

dB

30

001

,

0

log

10

10





16

Kosteczki są 
dźwigniami

Ścięgna 

Dźwignia zwiększa 
siłę nacisku o 30%

Okienko

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/imgsou/oss3.gif

17

Zmiana powierzchni 
nacisku

http://www.ssc.education.ed.ac.uk/courses/pictures/he
aring8.gif

Bębenek

Okienko

b

o

A

A

19

1



18

Zmiana ciśnienia:

Zmiana natężenia: 

W decybelach: 

Dopasowanie 
impedancji

b

b

b

o

o

okienko

p

A

F

A

F

p

25

19

3

.

1











2

~p

I

bebenek

okienko

I

I



625

dB

28

625

log

10

10



19

Efekt rogu

20

Ucho wewnętrzne

Konwerter fali mechanicznej na 
sygnały elektrochemiczne do mózgu

okienko

nerw 
słuchowy

Ślimak analizuje widmo dźwięku

21

Ślimak

W. Yost, Fundamentals of Hearing (Academic Press, San Diego, 2000)

22

Błona podstawowa

Tarcie włosków o 
wewnętrzną 
błonę 
pokrywającą 
pobudza 
neuroreceptory

W. R. Zemiln, Speech and Hearing Science (Allyn and Bacon, Boston, 1998)

©Bill Milgram

23

Teoria rezonancji 
Helmholtz’s (1857)

Jeden włosek odpowiada jednej częstotliwości rezonacji

Analiza 
Fourierowska

Włoski

http://www.vimm.it/cochlea/cochleapages/overview/helmholtz/helm.htm
H. von Helmholtz, On the sensations of tone as a physiological basis for the theory of music, 
(translated
by A. J. Ellis) (Longmans, Green, and Co., London, 1895)

dt

e

t

f

F

t

i





















2

)

(

)

(

24

Podróżująca fala

Po latach badań wykazano że włoski 

wyczuwają amplitudę fali podróżującej 

wzdłuż błony podstawowej.

E. G. Wever, Theory of Hearing (Wiley, New York, 1949)

25

Podróżująca fala 

Amplituda fali osiąga maksimum w 
różnych miejscach błony podstawowej w 
zależności od częstotliwości

26

Selektywność 
częstotliwościowa

Równoległy odbiór sygnałów wzdłuż całej 
błony podstawowej umożliwia 
jednoczesną reakcję na różne 
częstotliwości w sygnale dźwiękowym
Tłumaczy to również wiele dalszych 
zjawisk psychoakustycznych jak 
maskowanie i zróżnicowane postrzeganie 
głośności 

27

Pasma krytyczne

Aktywność neuronów odpowiadających jednej 
częstotliwości, tłumi aktywność sąsiadujących
Im wyższa częstotliwość i głośność składowej, 
tym szersze tłumienie dookoła

Modelowane jako 
filtry pasmowo 
przepustowe, dla 
wąskiej grupy 
częstotliwości ( 

8% częstotliwości 
środkowej)

28

Maskowanie 
częstotliwości

29

Badania pasm krytycznych

f

A

sygnał B

sygnał A

SZUM

f

A

sygnał

SZUM

SZUM

f

A

sygnał

SZUM

SZUM

SZUM

Wyznaczanie charakterystyki pasma 
maskowania częstotliwościowego

30

Maskowanie w czasie

„Znieczulenie” receptorów w błonie 
podstawowej ma pewną bezwładność

ale skąd maskowanie wsteczne?

31

Postrzeganie sygnału w 
czasie

Całkowanie sygnału
(temporal integration) 

Wielokrotne oglądanie sygnału („Multiple 
looks”)

„Przeciekający” integrator:

The Oxford Handbook of Auditory Science

32

Rozdzielczość czasowa

Minimalna rozdzielczość czasowa: 2-3ms 
(wykrycie luki w szumie)

20ms – rozróżnienie następujących po 
sobie początków sygnałów 

200ms – rozróżnienie końców sygnałów  

33

Rozdzielczość 
częstotliwościowa

Just-noticeable difference (JND)

Poniżej 1000Hz wynosi 3Hz dla sinusoid, 
1-2Hz dla złożonych tonów 

Powyżej 1000Hz wynosi 0.6% częstotliwości.
 
<1% ludzi posiada słuch absolutny – 
bezwzględne rozróżnianie tonów

34

Postrzeganie głośności

Neurony wzdłuż błony podstawowej wykazują 
różną czułość dla różnych częstotliwości

35

Nieliniowe skale 
percepcyjne

Melowa, barkowa, ERB
Interwały postrzegane jako taka sama 
względna zmiana wysokości dźwięku  

36

Postrzeganie wzorów 
czasowych i strumieni

Teoria strumieni dźwiękowych Bregmana 

(1978) rozróżnia pojęcia „źródła” i 

„strumienia” dźwięku
Źródło – fizyczne zjawisko wywołujące 

akustyczną falę ciśnienia
Strumień – percepcyjne zjawisko które 

interpretuje grupę kolejnych lub 

jednoczesnych dźwięków jako spójną 

całość, dochodzącą z jednego źródła

37

Teoria strumieni 
dźwiękowych

Poszerzenie teorii Gestalt do dziedziny akustyki
Ludzie mają tendencję grupować to co 
postrzegają w obiekty, a ich dźwiękowym 
odpowiednikiem są tzw. strumienie 
dźwiękowe
Dwa ważne zagadnienia: łączenie strumieni i 
rozdzielanie strumieni

38

Teoria percepcji gestalt 
(niem. „postać”)

1.

Proximity – bliskość

2.

Similarity – podobieństwo

3.

Closure – pełność

4.

Symmetry – symetria

5.

Common fate – wspólne pochodzenie 

6.

Continuity – ciągłość 

39

Percepcja gestalt w 
dźwiękach

1.

Bliskość 

•

w czasie 

•

w przestrzeni

2.

Podobieństwo

•

barwy

•

częstotliwości 

•

głośności

3.

Harmoniczność (symetria)

4.

Ciągłość (bezwładność) 

5.

Wspólne pochodzenie (inna zmienność, tło) 

6.

Pełność (zapełnianie luk) 

40

Rozdzielenie strumieni

Rożnica w częstotliwościach

41

Grupowanie strumieni

x2

stere
o

barwa

ton

głośność

obwiednia czasowa

42

Przechwycenie 
strumieni

43

Zastosowania 
psychoakustyki

Kompresja dźwięku (kodery percepcyjne)
Parametry systemów audio
Ewaluacja akustyki pomieszczeń
Sprzęt rehabilitacyjny dla osób z 
częściową utratą słuchu
Dźwiękowe interfejsy, w tym w 
urządzeniach dla niewidomych

44

Kompresja 
psychoakustyczna

Każde pasmo 

oddzielnie 

kwantyzowane

45

Ważenie decybeli

A – standard ISO 
B,C – dźwięki o 
wysokim ciśnieniu
D – hałas silników 
samolotowych

46

Zastosowanie ważonych 
decybeli