Ilmoittautuminen 13.11 menness Ilmoittautuminen 13.11 mennessä ä

(1)

Digitaalisen äänenkäsittelyn Digitaalisen äänenkäsittelyn

perusteet perusteet

Jouni Smed Jouni Smed

jouni.smed@utu.fi jouni.smed@utu.fi

syksy 2006 syksy 2006

Yleistä Yleistä

laajuus: 5 op. (3 ov.)laajuus: 5 op. (3 ov.)

esitiedot: Javaesitiedot: Java--ohjelmoinnin perusteetohjelmoinnin perusteet

luennot:luennot:

keskiviikkoisin 10–keskiviikkoisin 10–12 salissa 12 salissa ββ

perjantaisin 10–perjantaisin 10–12 salissa 12 salissa ββ

kurssin kotisivu: kurssin kotisivu:

http://staff.cs.utu.fi/staff/jouni.smed/dap06/

Kurssin hyväksytty suoritus = Kurssin hyväksytty suoritus =

1.1.

Ilmoittautuminen 13.11 menness Ilmoittautuminen 13.11 mennessä ä

https://www.it.utu.fi/kurssi

https://www.it.utu.fi/kurssi--ilmo/ilmo/

2.

Hyv Hyvä äksytty harjoitusty ksytty harjoitustyö ö

3.3.

Hyv Hyvä äksytty tentti ksytty tentti

Tentit Tentit

tenttipäivättenttipäivät

1.1. 15.12, sali 15.12, sali ββ,,klo 12:00klo 12:00––14:00 14:00 (luentotentti)

(luentotentti)

2.2. tammikuussa 2007tammikuussa 2007

3.

3. helmikuussa 2007helmikuussa 2007

varmista tenttiaika ja -varmista tenttiaika ja -paikka paikka http://www.it.utu.fi/opetus/tentit/

http://www.it.utu.fi/opetus/tentit/

muista ilmoittautua ajoissa!muista ilmoittautua ajoissa!

Harjoitustyö 1(2) Harjoitustyö 1(2)

yksin tai 2yksin tai 2––3 ryhm3 ryhmäässssää

tehtävät julkaistaan viikolla 46tehtävät julkaistaan viikolla 46

palautettava 31.12.2006 mennessäpalautettava 31.12.2006 mennessä

arvosteluarvostelu

hylätty, 1–hylätty, 1–55

lineaarinen tenttibonus:lineaarinen tenttibonus:

1 1 →→ei korotustaei korotusta

……

5 5 →→yhden arvosanan korotusyhden arvosanan korotus

Harjoitustyö 2(2) Harjoitustyö 2(2)

tehtätehtävissvissääAudacity-Audacity-ohjelmistollaohjelmistolla

saatavana vapaasti saatavana vapaasti

http://audacity.sourceforge.net/

alustana Windows, Mac OS X tai alustana Windows, Mac OS X tai Linux/Unix

Linux/Unix

tai muulla vastaavalla äätai muulla vastaavalla äänitynityöökalullakalulla

esim. SoundForgeesim. SoundForge, , AdobeAuditionAdobeAudition……

(2)

Kurssin luentoaikataulu Kurssin luentoaikataulu

Javan ääniohjelmointi 2(3) Javan ääniohjelmointi 2(3) 1.12 pe

1.12 pe 9.9.

Luentotentti Luentotentti 15.12 pe

15.12 pe 11.

11.

Javan ääniohjelmointi 3(3) Javan ääniohjelmointi 3(3) 8.12 pe

8.12 pe 10.10.

Javan ääniohjelmointi 1(3) Javan ääniohjelmointi 1(3) 29.11 ke

29.11 ke 8.

8.

Aaltomuotoon kohdistuvat operaatiot Aaltomuotoon kohdistuvat operaatiot 24.11 pe

24.11 pe 7.

7.

Aikaan kohdistuvat operaatiot Aikaan kohdistuvat operaatiot 22.11 ke

22.11 ke 6.6.

Taajuuteen kohdistuvat operaatiot Taajuuteen kohdistuvat operaatiot 17.11 pe

17.11 pe 5.5.

Voimakkuuteen kohdistuvat operaatiot 2(2) Voimakkuuteen kohdistuvat operaatiot 2(2) 15.11 ke

15.11 ke 4.

4.

Voimakkuuteen kohdistuvat operaatiot 1(2) Voimakkuuteen kohdistuvat operaatiot 1(2) 8.11 ke

8.11 ke 3.

3.

Johdanto 2(2) Johdanto 2(2) 3.11 pe

3.11 pe 2.

2.

Johdanto 1(2) Johdanto 1(2) 1.11 ke

1.11 ke 1.1.

Aihe Aihe Pvm.

Pvm.

Luento Luento

Tavoitteet Tavoitteet

teoreettinen: ymmärtää äänenkäsittelyyn teoreettinen: ymmärtää äänenkäsittelyyn liittyviä käsitteitä

liittyviä käsitteitä

→→mitä mitä voidaanvoidaantehdätehdä

käytännöllinen: ymmärtää operaatioiden käytännöllinen: ymmärtää operaatioiden vaikutus ääneen

vaikutus ääneen

→

→mitä mitä pitääpitäätehdä tehdä

Mitä

Mitä ei ei käsitellä — käsitellä — ainakaan ainakaan syvällisesti

syvällisesti

äänentoistoaäänentoistoa

akustiikkaaakustiikkaa

äänittämistääänittämistä

musiikintekoamusiikintekoa

MIDIäMIDIä

signaaliprosessointiasignaaliprosessointia

tiivistämistätiivistämistä

tiedostoformaattien esitysmuotoatiedostoformaattien esitysmuotoa

Kurssin rajapinnat Kurssin rajapinnat

DÄPDÄP

Sisällys 1(3) Sisällys 1(3)

1.

1. PerusteitaPerusteita

1.1. Äänen fysiikkaaÄänen fysiikkaa

2.2. PsykoakustiikkaPsykoakustiikka

3.

3. Äänen syntetisointiÄänen syntetisointi

4.

4. Samplaus ja kvantisointiSamplaus ja kvantisointi

5.5. TiedostoformaatitTiedostoformaatit

Sisällys 2(3) Sisällys 2(3)

2.

2. ÄänenkäsittelyoperaatiotÄänenkäsittelyoperaatiot

1.1. VoimakkuusVoimakkuus

2.2. TaajuusTaajuus

3.

3. AikaAika

4.

4. AaltomuotoAaltomuoto

5.5. Operaatioiden ketjuttaminenOperaatioiden ketjuttaminen

(3)

Sisällys 3(3) Sisällys 3(3)

3.3. Javan ääniohjelmointiJavan ääniohjelmointi

1.

1. java.appletjava.applet

2.2. javax.sound.sampledjavax.sound.sampled

Lähde

Lähde- - ja lisämateriaalia ja lisämateriaalia

Curtis Roads: The Computer Music Curtis Roads: The Computer Music Tutorial

Tutorial, The MIT Press, 2000, The MIT Press, 2000

Esa Blomberg & Ari Lepoluoto: AudiokirjaEsa Blomberg & Ari Lepoluoto: Audiokirja, , Tapiolan viestintäsuunnittelu, 1991

Tapiolan viestintäsuunnittelu, 1991

J. Pekka Mäkelä: KotistudioJ. Pekka Mäkelä: Kotistudio, 2. painos, , 2. painos, Like-Like-kustannus, 2003kustannus, 2003

1.1. Äänen fysiikkaa 1.1. Äänen fysiikkaa

ääniääni= väliaineessa etenevä mekaaninen = väliaineessa etenevä mekaaninen värähtely (aaltoliike), joka saa aikaan värähtely (aaltoliike), joka saa aikaan kuuloaistimuksen

kuuloaistimuksen

äänilähde

äänilähde väliaineväliaine havaitsijahavaitsija

Ääniaalto Ääniaalto

pp₀₀

tihentymä tihentymä (ylipaine) (ylipaine)

harventuma harventuma (alipaine) (alipaine) p

p

Aaltomuoto Aaltomuoto

jaksollinen jaksollinen aaltomuoto

aaltomuoto kohinakohina

Taajuus (

Taajuus (frequency frequency) )

taajuus, taajuus, ff: aaltojen : aaltojen lukumäärä lukumäärä aikayksikköä kohti aikayksikköä kohti

yksikkö: hertsi, Hz = yksikkö: hertsi, Hz = 1/s

1/s

(4)

Aallonpituus ja amplitudi Aallonpituus ja amplitudi

aallonpituusaallonpituus, , λλ: : vastaavien pisteiden vastaavien pisteiden etäisyys peräkkäisissä etäisyys peräkkäisissä aalloissa

aalloissa

amplitudiamplitudi, , AA: : värähdysliikkeen värähdysliikkeen laajuus

laajuus

λλ

λλ A

A

Äänen spektri Äänen spektri

t t A

A AA

ff

AA

ff t

t AA

Vaihe (

Vaihe ( phase) phase ) Äänen nopeus Äänen nopeus

vv= f= fλλ

riippuu:riippuu:

väliaineestaväliaineesta

lämpötilastalämpötilasta

ilmassa:ilmassa:

−10−10ººC: 325 m/sC: 325 m/s

+10º+10ºC: 337 m/sC: 337 m/s

+20º+20ºC: 343 m/sC: 343 m/s

eri väliaineissa:eri väliaineissa:

vesi: 1480 m/svesi: 1480 m/s

lasi: 5200 m/slasi: 5200 m/s

teräs: 5000–teräs: 5000–5900 5900 m/sm/s

puu: 3000–puu: 3000–4000 4000 m/sm/s

COCO₂₂: 259 m/s: 259 m/s

He: 965 m/sHe: 965 m/s

Äänen mittayksiköitä Äänen mittayksiköitä

ääniteho, ääniteho, PP

watti, Wwatti, W

mittaetäisyys 1 mmittaetäisyys 1 m

äänen intensiteetti, äänen intensiteetti, II= P= P//AA

teho pinta-teho pinta-alayksikköä kohtialayksikköä kohti

äänenpaine, äänenpaine, p p = = FF//AA: :

pascal, Pa = N/mpascal, Pa = N/m²²

mittaetäisyys 1 mmittaetäisyys 1 m

Desibeli (dB) Desibeli (dB)

ilmaisee: ilmaisee:

kahden suureen keskinäistä suuruutta kahden suureen keskinäistä suuruutta

suureen arvoa suhteessa johonkin suureen arvoa suhteessa johonkin vertailutasoon

vertailutasoon

kahden äänitehon tai intensiteetin suhde:kahden äänitehon tai intensiteetin suhde:

L

L= 10 log= 10 log₁₀₁₀(I(I₁₁/I/I₀₀) dB) dB missä

missä II₀₀on viitetasoon viitetaso

huom! mittahuom! mitta-- asteikko on logaritminenasteikko on logaritminen

(5)

Desibeli äänen mittana Desibeli äänen mittana

usein viitetasona käytetään ihmisen usein viitetasona käytetään ihmisen kuulokynnystä:

kuulokynnystä: II₀₀= 10= 10⁻⁻¹²¹²W/mW/m²²

ihmisen kuuloaistimus on logaritminenihmisen kuuloaistimus on logaritminen

3 dB:n muutos on havaittavissa3 dB:n muutos on havaittavissa

10 dB:n muutos kuulostaa 10 dB:n muutos kuulostaa äänenvoimakkuuden äänenvoimakkuuden

kaksinkertaistumiselta tai puolittumiselta kaksinkertaistumiselta tai puolittumiselta

1.2. Psykoakustiikka 1.2. Psykoakustiikka

äänihavaintoon vaikuttavatäänihavaintoon vaikuttavat

kuuloaistin fysiologiakuuloaistin fysiologia

aivojen tulkintaaivojen tulkinta

Äänenvoimakkuuden aistinta Äänenvoimakkuuden aistinta

riippuu:riippuu:

äänenpaineestaäänenpaineesta

taajuudestataajuudesta

kuuloalue: 20 Hzkuuloalue: 20 Hz––20 kHz20 kHz

herkimmillään 3–herkimmillään 3–4 kHz:ss4 kHz:ssää

äääänenvoimakkuus eli nenvoimakkuus eli äääänenpaineen taso (nenpaineen taso (sound sound pressure level

pressure level):):

dBSPL = 20 logdBSPL = 20 log₁₀₁₀((pp₁₁/p/p₀₀))

pp₀₀= 20 µ= 20 µPaPa

Fletcher

Fletcher- -Munson Munson - -käyrästö käyrästö

taajuus (Hz)

äänenpainetaso(dB)

KUULO- KYNNYS

Dynamiikka Dynamiikka- -alue alue

- -2020

00 20 20 40 40 6060 8080 100 100 120 120 140140

tuntoaistimus kipurajakipuraja

kuulokynnys kuulokynnys epämiellyttävyyden epämiellyttävyyden kynnys

kynnys

äänenpainetaso (dB)äänenpainetaso (dB)

Äänenpainetasoja Äänenpainetasoja

150 150 140 140 130 130 120 120 110 110 100 100 90 90 8080 7070 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20

dB dB

kuiskaus (3 m) kuiskaus (3 m) klassinen musiikki klassinen musiikki pppppp

keskustelu (3 m) keskustelu (3 m) luento (3 m) luento (3 m) paineilmapora (15 m) paineilmapora (15 m) klassinen musiikki

klassinen musiikki ffffff meluisa tehdasmeluisa tehdas meluisa katu meluisa katu henkilöauton sisällä henkilöauton sisällä televisio (3 m)

televisio (3 m) suihkukone (5 m) suihkukone (5 m)

hiljainen talo hiljainen talo myymälä myymälä asumalähiö yöllä asumalähiö yöllä kipuraja kipuraja

(6)

Aivojen äänihavainto Aivojen äänihavainto

tarkka äänimuisti on erittäin lyhyt: 1tarkka äänimuisti on erittäin lyhyt: 1––2 s2 s

on helppo kuulla siton helppo kuulla sitäämitmitäähaluaahaluaa

on helppo olla kuulematta epon helppo olla kuulematta epäättäärkeinrkeinääpidettyjäpidettyjä ää

ääniniää

Haasin ilmiö: useita yhtäläisiä äänilähteitä Haasin ilmiö: useita yhtäläisiä äänilähteitä kuunnellessa lähin määrää havaitun äänensuunnan kuunnellessa lähin määrää havaitun äänensuunnan

kriittiset taajuuskaistat: ei havaita yksittäisiä kriittiset taajuuskaistat: ei havaita yksittäisiä taajuuksia vaan taajuuskaistoja, joissa voimakas taajuuksia vaan taajuuskaistoja, joissa voimakas ääni voi peittää kaistan hiljaisemmat äänet ääni voi peittää kaistan hiljaisemmat äänet

Sävelkorkeus (

Sävelkorkeus (musical pitch musical pitch) )

nuotin sävelkorkeus:nuotin sävelkorkeus:

suhteessa taajuuteensuhteessa taajuuteen

voimakkuus voi vaikuttaa madaltavastivoimakkuus voi vaikuttaa madaltavasti

standardi sävelkorkeus: 440 Hz = Astandardi sävelkorkeus: 440 Hz = A

oktaavi (oktaavi (octave) = taajuuden kaksinkertaistusoctave) = taajuuden kaksinkertaistus

siis 220 Hz = A, 880 Hz = A jne.siis 220 Hz = A, 880 Hz = A jne.

puolisävelaskeleen (semitonepuolisävelaskeleen (semitone) taajuussuhde = ) taajuussuhde =

1212√2:1 √2:1 ≈≈1,06:11,06:1

Nuottien taajuudet Nuottien taajuudet

330 330 E

E

220 220 a

a

233 233 a#

a#

247 247 h

h

262262 C (keski

C (keski--C)C)

277 277 C#

C#

294 294 D

D

311311 D#D#

349 349 F

F

370 370 F#

F#

392392 GG

415 415 G#

G#

440440 AA

Taajuus (Hz) Taajuus (Hz) Nuotti

Nuotti

Äänilähteiden taajuusalueita Äänilähteiden taajuusalueita

700 700––40004000 ksylofoni

ksylofoni

1515––80008000 kirkkourut

kirkkourut

30 30––40004000 piano

piano

70–70–600600 sello

sello

200 200––35003500 viulu

viulu

200 200––10001000 trumpetti

trumpetti

125125––650650 alttosaksofoni

alttosaksofoni

60 60––600600 fagotti

fagotti

250250––25002500 huilu

huilu

100 100––350350 mieslaulaja

mieslaulaja

250 250––10001000 naislaulaja

naislaulaja

Taajuusalue (Hz) Taajuusalue (Hz) Äänilähde

Äänilähde

Sointiväri (

Sointiväri (timbre timbre) )

erottaa äänilähteet toisistaanerottaa äänilähteet toisistaan

syyt:syyt:

yläsävelet (harmonicsyläsävelet (harmonics) )

perustaajuuden harmonisia monikertojaperustaajuuden harmonisia monikertoja

aluke (starting transientsaluke (starting transients))

äänen alkaessa esiintyviä, eiäänen alkaessa esiintyviä, ei-- harmonisia taajuuksia harmonisia taajuuksia

kestävät 0,01kestävät 0,01––0,2 s0,2 s