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OÍDO HUMANO Características principales:

1. Rango de presión: 2 x 10-5 a 20 [Pa] 2. Rango de frecuencia: 20 Hz a 20 kHz 3. Discrimina altura y timbre 4. Discrimina posición de la fuente

Partes del oído:

1. Oído externo 2. Oído medio 3. Oído interno

Sistema auditivo periférico

1. Oído externo

Pabellón auditivo: - Discriminación direccional - Ganancia entre 4500-5000 Hz (Producto de reflexiones) Canal auditivo: - Conducción de ondas sonoras al oído medio - 0.7cm. diámetro / 2.7 cm. largo - Actúa como un tubo abierto cerrado

(Frecuencia de resonancia 2

344 31804 4 2.7 10cfL x −= = =

⋅ Hz)

- Produce una ganancia de 10 dB Tímpano: - Membrana en forma de cono: 7mm. diámetro – 0.4 mm espesor. - Separa al oído externo del oído medio

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2. Oído medio: - Cavidad de aire de 2 cm3. - Contiene los osículos (martillo, yunque y estribo) que acopla mecánicamente el tímpano con el oído interno (medio fluido).

- Contiene la trompa de eustaquio (Canal que une el oído medio con el exterior para igualar las presiones mediante el bostezo o la deglución.

Esquema del sistema auditivo periférico con la cóclea desenrollada

Reflejo acústico: Contracción de los músculos que sostienen los huesecillos y el tímpano que reduce su amplitud de oscilación, protegiendo al oído. Se activa después de 0.5 mseg, por lo que no protege contra ruidos impulsivos (Ej: disparos, explosiones).

3. Oído interno: - Origina las señales electroquímicas que se transmiten al cerebro a través del nervio auditivo

Canales semicirculares (Rellenos de células pilosas y fluidos) Órgano del equilibrio

Cóclea o Caracol 3.5 cm. de largo y 1.5 mm de diámetro en promedio

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Corte de la cóclea

Diferenciación en frecuencia en membrana basilar

Sección menos gruesa

(menos masa) más tensa Sección más gruesa (más masa) menos tensa

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Principio del lugar “El sistema nervioso detecta que lugar de la membrana basilar ha sido estimulado producto de su resonancia. La cantidad de células ciliares estimuladas y la magnitud de su deformación indican la información de intensidad.” Resonancia en función de la distancia desde la ventana oval (Von Bekesy):

( )4 0.722.5 10 Xf − ⋅= ⋅ [Hz]

4 log2.5

0.72

f

X

⎛ ⎞− ⎜ ⎟⎝ ⎠= [Cm.]

Ubicación de la zona de respuesta de frecuencias sobre la membrana basilar. Esquema vibratorio de la membrana basilar. El punto de mayor oscilación depende de la frecuencia.

Altas frecuencias Captadas cerca de Ventana oval

Bajas frecuencias Captadas cerca del helicotrema

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CARACTERISTICAS DEL OÍDO HUMANO

1. UMBRALES DE ABSOLUTOS: Establecen los rangos de audición del ser humano, tanto en nivel como en frecuencia.

Umbral de

Umbrales de audibilidad.

Corrimiento temporal de umbral y corrimiento permanente de umbral (CTU1 y CPU2)

Cantidad en dB en que aumenta el umbral de audición bajo la exposición al ruido El CTU aumenta con La intensidad La duración de la exposición El contenido espectral (mayor a altas frecuencias) El CPU se produce en exposiciones muy largas a altos niveles DAÑO AUDITIVO !!! 1 Temporary threshold shift, o TTS 2 Permanent Threshold Shift, o PTS

Audibilidad: - Mínimo NPS necesario para percibir un sonido - Se mide en condición de campo libre con escucha en ambos oídos a 1m de la fuente. - Varía con la edad. - Máxima sensibilidad cerca de 4kHz.

Sensación: - NPS donde se produce sensación de cosquilleo (120 dB). Dolor: - Sensación de dolor a 140 dB.

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2. CONTORNOS DE IGUAL SONORIDAD (O CURVAS ISOFONICAS) Muestran la relación de intensidades que deben tener dos tonos de distinta frecuencia para que se perciban igualmente sonoros. Tono de referencia 1kHz Nivel de sonoridad LN Nivel de presión sonora a una frecuencia de 1 kHz que es tan sonoro como el sonido que se está evaluando Se mide en FON (Para 1 kHz el SPL corresponde al nivel de sonoridad)

LP(1 kHz) [dB] = LN (1 kHz) [Fon] Sonoridad N La sonoridad (Loudness) es el atributo que nos permite ordenar sonidos en una escala del más fuerte al más débil. Las relaciones de dos sonidos con distinto nivel de sonoridad no son proporcionales (EJ: 80 Fon no necesariamente es doblemente sonoro que 40 Fon) Se utiliza el SONE. 1 Sone es la sonoridad de un sonido senoidal de 1kHz con un SPL = 40dB ∴ 1 Sone =40 Fon Relación N v/s LN

/ 300.046 10LNN = ⋅ [Sone]

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N = 1 Sone ( )130 log 400.046LN Fon= ⋅ ≈

N = 2 Sone ( )230 log 49.10.046LN Fon= ⋅ ≈

Criterio: “Un aumento de 10 dB en el nivel de presión sonora implica duplicar la sonoridad” Ejemplo de cálculo de la sonoridad: Tono 1: 40 Hz a 58 dB LN = 20 FON Tono 2: 5 kHz a 52 dB LN = 60 FON

20

301 0.046 10 0.21N = ⋅ = Sone

60

302 0.046 10 4.6N = ⋅ = Sone Relación de sonoridad entre tono 1 y tono 2

2 4.6 21.9 221 0.21

NN

= = ≈ veces

¿ Qué nivel de presión sonora debería tener el tono de 40 Hz para ser igualmente sonoro que el de 5 kHz ?

- Mirando el contorno de igual sonoridad de 60 Fon

( )40 70HzSPL dB≈

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3. SENSIBILIDAD DIFERENCIAL A LA PRESION SONORA Mínima variación de nivel perceptible

Si NPS > 50dB sobre el umbral de audibilidad Variación mínima 1dB (entre 50 – 10 kHz) Si NPS < 40 dB sobre el umbral de audibilidad Variación mínima entre 1 y 3 dB

4. SENSIBILIDAD DIFERENCIAL A LA FRECUENCIA Mínima variación de frecuencia perceptible a altos niveles (sobre 40 dB): Para f > 1 kHz , mínima variación perceptible del orden del 0.3 % Ej:

Se perciben grandes cambios !!! Para f < 1 kHz , cambios de 3 Hz Ej: Se perciben pequeños cambios !!!

frecuencia Mínima variación perceptible (0.3%)

16 kHz 48 Hz

10 kHz 30 Hz

4 kHz 12 Hz

frecuencia Mínima variación perceptible (3Hz)

50 Hz 47 Hz – 53 Hz

100 Hz 97 Hz – 103 Hz

600 Hz 597 Hz – 603 Hz

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5. LOCALIZACIÓN BINAURAL DE UNA FUENTE SONORA (TEORIA DUPLEX)

• Diferencia de Tiempo Interaural 3

- Sonido que llega al oído opuesto viaja un tiempo extra La diferencia de tiempo entre ambos oídos entrega la información de localización.

• Diferencia de Intensidad Interaural 4

- Diferentes distancias que deben recorrer las ondas para llegar a uno y otro oído Sonido que llega al oído opuesto es atenuado.

- Sombra acústica a longitudes de onda menores que las dimensiones de la cabeza Se produce a altas frecuencias.

3 Interaural Time Difference, o ITD 4 Interaural Intensity Difference, o IID

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6. EFECTO HAAS Utilizado para saber en que condiciones las reflexiones son percibidas o enmascaradas por

el sonido directo dentro de un recinto. Diferencia de tiempo que debe haber entre dos sonidos para que el oído los integre como uno solo.

< 50 mS ; se reconoce un sólo sonido

- Diferencia de tiempo para sonidos complejos > 50 mS ; Se reconocen dos sonidos (Eco) Sonido reflejado es percibido

Lp Lpref Lpdir∆ = − Tiempo de retardo < 30ms y ∆Lp < 10 dB Zona de fusión: Sonido directo se fortalece con el sonido reflejado dando la impresión de una mayor sonoridad. Sonido directo enmascara al sonido reflejado

7. EFECTO DE PRECEDENCIA La procedencia del sonido queda determinada por el sonido que primero llega al oído, o sonido “PRECEDENTE”.

• Delay < 5 mS. Sonido proviene del centro (Fuente virtual).

• 5 < Delay < 35 mS. Sonido proviene de altavoz que llega primero.

• Delay > 50 mS. Se escuchan dos sonidos distintos.

F2 (Delay = 25ms)

FUENTE VIRTUAL

F1

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NOTA: El efecto de precedencia se modifica si el sonido de la fuente lejana tiene un nivel de 10 dB superior y el retardo está entre 5 a 35 mS.

Diferencia de niveles

2 1 10LP Fuente Fuente dB∆ = − >

y 5 mS < DELAY < 35 mS. = SENSACIÓN DE PROCEDENCIA HACIA LA SEGUNDA FUENTE !!! Ejemplo: ¿Cuánto debe aumentar el nivel de la fuente 2 para centrar la fuente virtual?

Fuente 2 (Lp2 > Lp1+10 5ms < Delay < 20ms)

Fuente 1 (Lp1)

15 7 8d∆ = − =

d dC tt c

= → =

27 23.5

340t ms∆ = =

Fuente 1

15m

7m

FUENTE VIRTUAL

Fuente 1 (Lp1 = 70dB) Fuente 2 (Lp2 = 70dB)

EN EL RECEPTOR

L R

Fuente 2

12dB

23.5ms

∆Lp > 12dB : Fuente se localiza cerca de la fuente más lejana. ∆Lp = 12dB : Fuente se localiza al centro. ∆Lp > 12dB : Fuente se localiza cerca de la fuente más cercana.

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8. ALTURA o PITCH Atributo que nos permite ordenar los sonidos en una escala del más grave al más agudo. Característica subjetiva que depende de

- Dependencia de la intensidad para una misma frecuencia: a) f < 300 Hz La altura disminuye si aumenta el NPS b) 500 < f < 3 kHz La altura es independiente del NPS c) f > 4 kHz La altura aumenta si aumenta el NPS

- Dependencia de la frecuencia = Se utiliza el MEL Frecuencia de referencia 1000 Hz 1000 1000Hz Meles≈ Duplicar la altura ≈ 2000 Meles Mitad de la altura ≈ 500 Meles a) f < 1 kHz La mitad o el doble de la altura está dada por la relación 2 : 1 (Intervalo de octava).

Frecuencia Intensidad Espectro Tiempo

Altura en función de la frecuencia

Variación de la altura en función de la frecuencia

1300

8 kHz

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- Dependencia del espectro

Señal periódica en el dominio del tiempo Señal periódica en el dominio de la frecuencia El oído es capaz de percibir la sensación de altura con la información de los armónicos Ejemplo Sonido original

F0 F1 F2 F3 F4

200 400 600 800 1000 Sonido filtrado

F0 F1 F2 F3 F4

filtrado 400 600 800 1000

- Dependencia del tiempo

Un tono debe durar al menos 10-15 mS para percibirse como tal, de otro modo se escucha un “CLICK”.

Aunque se quite la fundamental la sensación de altura NO SE PIERDE “ALTURA VIRTUAL”

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9. ENMASCARAMIENTO

Desplazamiento del umbral de audibilidad producto de la presencia de un ruido que enmascara a la fuente sonora que se desea oír.

- Tonos puros de frecuencias cercanas se enmascaran más que tonos puros de frecuencias distantes.

- Un tono puro enmascara más a frecuencias superiores que frecuencias inferiores. - Los ruidos de banda ancha son mejores enmascaradotes que los tonos puros. - A mayor intensidad, el ancho de banda de enmascaramiento aumenta.

10. ANCHO DE BANDA CRITICA

Porción del espectro de un ruido que es verdaderamente efectiva en el enmascaramiento de un sonido senoidal. Dado por aquellas frecuencias más allá de las cuales el aumento del ancho de banda del ruido no produce un aumento en el umbral de percepción del sonido senoidal. El ancho de banda aumenta con la frecuencia. 500f Hz≤ es constante 500f Hz> = 20 % de fc

Aumento del umbral de percepción del tono

Tono puro no es enmascarado

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11. TIMBRE - Espectro (Relación de amplitud de los armónicos) Dependencia de - Envolvente de la señal

- Envolvente de una señal

Partes de una envolvente típica

ENVOLVENTE

Señal reproducida normalmente Señal reproducida hacia atrás

Ataque (Attack)

Decaimiento (Decay) Sostenimiento

(Sustain) Relajación (Release)

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- Dependencia del espectro

Espectros de dos notas tocadas en guitarra acústica

La amplitud relativa de los armónicos cambia de nota a nota El cambio de la amplitud relativa de los armónicos produce un cambio del timbre.