Acoustics Unplugged

Rebecca ReichRebecca ReichMay 24 2011

h Who am I?

d d h l k Audio / Acoustics around the clock

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

B. Eng, electrical, Minor Arts

NRC Women in Engineering and Science scholarshipg g p• classroom and concert hall acoustics

S.M., Media Arts and Scienceshl l Cochlear implants

how do they sound when music plays through them?

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Programming 1’s and 0’s Programming user software

Customer technical supportsupport

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

One year in Copenhagen, DK Customer technical support

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

C   h i l   (fi   h ) Customer technical support (five months) Manager, customer technical support team China, Japan, Canada

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

• Flexible• People job• Learn new stuff!www.mitacs.ca

•$7 500 industry7 5 y•$7 500 Mitacs/FQRNT$15 000

$10 000 min for student

$5000flexible

•$36 000 industry•$44 000 Mitacs/FQRNT$80 000

$20 000$10 000 $10 000 $10 000

$10 000 $10 000 $10 000 flexible$10 000 $10 000 $10 000 internships

Let’s get startedLet’s get started…

f f Sound is a form of energy (like electricity or light)

d d h l l b Sound is made when air molecules vibrate and move in a pattern waves

Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

Particle motion is a function of spaceParticle motion is a function of space(displacement, amplitude) 

and time

Longitudinalwave: particle motion is parallel to motion of disturbance 

created by moving object

Wave causes areas of compression (high )  d  f i  (l   )   W  

created by moving object

pressure) and rarefaction (low pressure).  We call this PRESSURE waves

c = 343m/s (air, 20oC)

we INTERPRET sound waves

F  Frequency: how often the particles are moving back and forth: 

# of complete back‐and‐forth vibrationsof a particle of the medium Hertz:p

per unit of time # cycles per second

H     H20Hz – 20 000HzSensation of frequency = pitch

G   li d   f di b     Greater amplitude of disturbance causes greater displacement (amplitude) of particles

More amplitude more energy More amplitude more energy Intensity = power/area (Watts/m2) Move away from sound ,intensity decreases Move away from sound ,intensity decreases (inverse square)

Humans can detect as low as 1*10‐12W/m2, ,and as high as 1 billion times this!

Due to large range: dB  d 1*10‐12W/m2 = 0 dB

sleep

workwork

wake

play

f f Your alarm‐clock radio: fast facts Why does Boston Acoustics sound better 06:00than Accurian?

Looking at an average over a window of time…

Wh  d     d  d  i i  i  th  Why does everyone sound good singing in the shower?

06:15

ACOUSTICS: study of waves in a medium

5

fl d f d b b d Direct, Reflected, Refracted, Absorbed

f Hard surfaces little sound absorbed (ceramic tile) many reflections reverberation

 i  th h ld f  ~50ms is threshold for hearing echo

Small space accumulation of reflections increases volume you sound more powerful!

Resonant cavity Shower stall dimensions 

dcause standing waves at low frequencies; vocals in this range will be boostedthis range will be boosted

Car stereo acoustics “dead” sound environment, depends on materials 08:00(leather vs. upholstry) transitory (windows open vs. closed) loud: riding the volume knob

l b d l d b f Single‐band compressor, loud bass information modulates gain of the entire audio signal suboptimal maximum perceived loudness & gain suboptimal maximum perceived loudness & gain pumping

Listening to iPod [Portnuff] listening to earbuds for 90 minutes/day at 80% volume is probably safe for long‐term hearing (softer is better: you can safely tune in at 70% volume for about 4½ hours a day )volume for about 4½ hours a day.)

~ one in five teenagers had some kind of hearing loss in 2005‐2006, up from 15% of teenagers in the late 1980s and 2005 2006, up from 15% of teenagers in the late 1980s and early 90s, according to a study of nearly 5,000 people age 12 to 19 published in the Journal of the American Medical Association.

Th   i    ti  f   t t d  The maximum exposure time for unprotected ears per day at 90 dB is 8 hours. 

For every 5 dB increase in volume  the maximum  For every 5 dB increase in volume, the maximum exposure time is cut in half. 95 dB = 4 hours95 4 100 dB = 2 hours 110 dB = 30 minutes 120 dB = 7.5 minutes

Apple set 100dB limit in Europe, still 115dB in USAUSA

f Dynamic compression a reality of modern music recordings (louder is better)

l f Causes listener fatigue

08:45

I   l   i  l l   b    dB(A)  d   b  

45

In general, noise levels above 45‐50 dB(A) tend to be disturbing 

Speech Intelligibility Index  (SII): how well speech can be understood in the presence of noise.p

range: 0 (perfect privacy) to  (perfect intelligibility)  Theatres and auditoriums need high SII values, but offices 

and other private locations need low SII SII <= 0 2 gives employees speech privacy and blocks most  SII <= 0.2 gives employees speech privacy and blocks most 

acoustical distractions

C ili   d fl Ceiling and floor Partitions (partial‐height screens) Workstation and Occupant Orientation Workstation and Occupant Orientation Lighting fixtures (flat vs grill) Noise Masking SystemNoise Masking System

N i ll ti  h d h Noise‐cancellation headphones Active vs. Passive Active: 09:00

▪ produce “anti‐noise”▪ require battery▪ cancel low‐frequency  continuous 

9

cancel low frequency, continuous sound actively, high‐frequency through design

Passive▪ physical block; works over wide range▪ no battery▪ weaker bass response (due to speaker weaker bass response (due to speaker size)

Your hearing… getting old…”eh?”

18:00

• outer/middle ear• often reversible

conductive

• inner ear• not reversible

 b   l t dsensorineural

• can be age‐related

Symptoms Symptoms Certain sounds seem overly loud Difficulty hearing things in noisy areas High‐pitched sounds such as "s" or "th" are hard to distinguish from one another

Men's voices are easier to hear than womens.

Other people's voices sound mumbled  20% over 65p por slurred

Ringing in the ears “I hear but I can’t understand” 

40% over 75

80% nursing home residents

f Not just amplifiers ex. frequency translation

Adapt to environment cocktail party effect

Connected bluetooth bilateral communication

36 000 people world 36,000 people world‐wide received cochlear implants over the last t  d dtwo decades.

FDA‐approved 1985 (adults), 1990 (children)Ad lt      b   Adults can now be considered candidates if they have severe‐to‐

f d h i  l  profound hearing loss and understand less than 50% of sentences 

k  t  thspoken to themviolin, processedviolin

ffnoises off!

22:00