WHY DO OUR EARS LOOK SO WEIRD?

Hi, I was quite busy in the last months of 2014, so here am I again in early 2015, apologizing for keeping a low pace during that period. I promise to resume a more steady publishing rhythm and wish you all a very happy new year!

We already talked about how we can tell if a sound comes from our left or from our right. There's a slight delay between the arrival of sound waves to each ear helping us to notice that the sound source comes from the side where it arrives first. It's a bit more complicated than that, the transmission through our brain mass is also processed (HRTF).

But how can we tell if a sound comes from the ground or from above our heads?
We couldn't, if we didn't have our funny shaped ears.

Our ears help in focusing the sounds that reach us. But they do much more than that.

The eardrums are kept inside our ear canal and they are so sensitive they can detect vibrations of a tenth millionth of a millimeter. The ear canal is well protected, being the only body cavity where we are not able to introduce our smallest finger. The wax inside is bitter in order to repel insects.

The outer part of our ears is called the pinna, which is the latin word for wing.

Its strange form with highs and lows focus the sound enhancing some frequencies while dimming others, depending on the position of the sound source.

The sound from a source placed above will reflect in different surfaces of the pinna, while another from below will catch other parts. By that, our internal ear will know where they come from.

People who had their pinnae sliced or mutilated by accident cease to have this perception. The same happens when we listen with in-ear headphones.

PORQUE É QUE AS NOSSAS ORELHAS TÊM UMA FORMA TÃO ESQUISITA?

Olá, estive muito ocupado nos últimos meses de 2014 , por isso aqui estou,  bem no início de 2015, pedindo desculpa pelo fraco ritmo desse período. Prometo recuperar um ritmo mais firme de publicação e desejo-vos um excelente 2015!

Já falámos como podemos distinguir se um som nos chega da esquerda ou da direita. Existe um pequeno atraso entre a chegada das ondas sonoras a um ouvido e ao outro, ajudando-nos a perceber que a fonte sonora se encontra do lado em que o som nos chega primeiro. Bem, é um pouco mais complicado que isso, a transmissão através da nossa massa encefálica também é processada  (HRTF).

Mas como podemos dizer que um som vem do chão ou de cima das nossas cabeças?

Não poderíamos, se não tivéssemos este formato engraçado nas nossas orelhas.

As nossas orelhas ajudam a focar os sons que nos chegam. Mas fazem muito mais do que isso.

Os nossos tímpanos encontram-se dentro do nosso canal auditivo e são tão sensíveis que conseguem distinguir vibrações da ordem dos décimo-milionésimos de milímetro. O canal auditivo está, por isso, muito bem protegido, sendo a única cavidade do corpo humano onde não conseguimos introduzir sequer o nosso dedo mais pequeno. A cera que se encontra no interior é amarga para repelir os insectos.

A parte de fora das nossas orelhas é chamada pinna,  o nome latino para asa.

A sua estranha forma com altos e baixos foca o som aumentando certas frequências e atenuando outras, dependendo da posição da fonte sonora. 

Um som vindo de cima reflecte em diferentes superfícies da pinna, enquanto outro, vindo de baixo, encontrará outras. Assim, o nosso ouvido interno consegue dizer de onde vem.

Pessoas que tenham as pinnae removidas ou mutiladas por acidente são incapazes de distinguir a sua origem no eixo vertical. O mesmo acontece quando usamos auscultadores in-ear.

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Loudness in TV

LKFS, LUFS and LU

Why are commercials so loud on TV? In my country, when the commercial break begins, everybody notices that the volume goes up. But there are rules that state that all commercials must be printed at a certain volume level.

What's the problem, then?

The problem is that, although volume measures the intensity of sound, it doesn't measure the perceived intensity of sound.

Our brain doesn't react to all the sound frequencies in the same way. The middle frequencies affect us much more than the bass and treble ones.

Let's make a simple analogy. Imagine that you are going to drive a car. If you drink, don't drive, it's a common saying.
Now imagine that the law sates that limit of drinking is one liter. Is a liter of water the same as a litter of beer, or wine? Or even whisky?
Of course not. So, the volume of drinks is not a correct measure. The correct one would be the amount of alcohol that affects our ability to drive.

Volume is not the issue

The same happens with sound. We need a new kind of measurement. We call it Loudness. Loudness measurements are weighted in order to let pass the frequencies that are harmless to us ( like water in our example). It also takes the average loudness (RMS) of a programe, so that dynamics will be rewarded.

Some curves are used to weight the several frequencies that affect us the most. One of them is the K curve.

The K curve

LKFS is a loudness unit that was standardized in 2011. L for Loudness, K for K curve weighting, and FS for Full Scale. 1 LKFS equals 1 dB, which makes it easier for everyone of us.
Its measurements are negative, because Full Scale is digital maximum or 0 dB. The ITU uses -23 LKFS as the maximum loudness allowed for a commercial.



In 2010, the European Broadcasting Union created the LUFS. The new feature is that they have a weapon against cheating. As those measurements are average, we could have lots of silent parts and get away with some very loud ones. The LUFS introduces a Gating processor that doesn't count those silent portions of the program. The EBU regulations adopted -23 LUFS for maximum average loudness.

A modern Loudness meter

The differences in Loudness levels are called LU, Loudness Units.

This may seem difficult, but it will be very useful, protecting us, consumers, from loud sound abuse in advertising.

Loudness na TV

LKFS, LUFS e LU

Porque é que os anúncios e as autopromoções soam tão alto na televisão? Em Portugal, quando começa o espaço publicitário, toda a gente repara que o volume dispara. Mas há regras que determinam o volume máximo das bobinas de emissão.

Qual é o problema, então?

O problema é que, embora o volume meça a intensidade do som, ele não mede a intensidade percepcionada por nós.

O nosso cérebro não reage a todas as frequências da mesma forma. As frequências médias afectam-nos muito mais que os graves e os agudos.

Façamos uma analogia simples. Imaginem que vão guiar. Se vai conduzir, não beba, é uma frase conhecida.
Agora, imaginem que a lei diz que o máximo que se pode beber é um litro. Será um litro de água o mesmo que um litro de cerveja ou de vinho? Ou de whisky?
Claro que não. Por isso, o volume de líquido ingerido será uma medida incorrecta. Correcto será conseguir medir o volume de álcool que afecta a nossa capacidade de conduzir.

O volume não é a questão

Com o som acontece o mesmo. Precisamos de um novo tipo de grandeza. Chamamos-lhe Loudness. As medições de Loudness são pesadas deixando passar as frequências que menos nos afectam ( como a água do nosso exemplo ) e penalizam mais as outras ( os whiskys, vinhos, etc.). Também resultam de uma média  (RMS) do programa, por isso a dinâmica sai recompensada. 

Para isso, criaram-se curvas que definem o peso relativo em que cada frequência nos afecta. Uma delas é a curva K.

A curva K

LKFS é uma medida de Loudness que foi implementada em 2011. L de Loudness, K de curva K usada no peso das frequências, e FS de Full Scale, escala completa. 1 LKFS é igual a 1 dB, o que nos facilita a vida a todos.
As suas medições são negativas, porque são relativas ao máximo digital ou escala completa que é 0 dB. A ITU usa -23 LKFS como o máximo Loudness para um anúncio.



Em 2010, a European Broadcasting Union tinha criado a LUFS. A diferença é que estes têm uma arma contra a batota. Com estas grandezas medem a média em todo o programa, era fácil criar bocados de silêncio para ter direito a outros aos gritos. A escala LUFS introduz um processor de Gating que não conta com esses silêncios. A EBU regula que o máximo para uma anúncio será também de -23 LUFS.

Um moderno Loudness meter

As diferenças de níveis de Loudness são medidas em  LU, Loudness Units.

Isto pode parecer mais difícil, mas será muito útil ao proteger-nos, consumidores, contra o abuso do som alto na publicidade.

A LITTLE ABOUT THE HISTORY OF SOUND RECORDING

Part 1

The first idea of recording sound did not happen in the early XX century. Actually, it was back in the XVI century that someone thought about this. Giovanni Batista della Porta thought about sealing sounds in lead pipes so that they could be preserved to be opened later.

Giovanni Batista della Porta 

It didn't happen, of course, so sound remains something totally ephemeral which cannot be captured until the year of 1860, when Édouard-Léon Scott de Martinville invented the Phonoautograph, where he "printed" the sound waves of a woman singing "Au Clair de Lune". It had to wait until 2008, when scientists converted the visual waves into digital audio.

The Phonoautograph

The visual sound waves on the phonoautograph

In 1877, Thomas Edison invented a recording and playback machine. And everything changed.

Thomas Edison at his Phonograph

Sound could, finally, be captured, preserved and played back again and again.

Some homes had a phonograph but it was mostly used to record and playback the voices and sounds of the owners' family. Nobody was thinking about recording music.

Musicians like Bartók and Kódaly used the phonograph to record traditional songs in the Hungarian countryside, which would influence their compositions afterwards.

There was a business rising from this new technology. When it became possible to duplicate the original recordings, companies where created to explore this new Eldorado.

In 1904, a record by Enrico Caruso sold 1 million copies!

A Caruso record

The recording industry was born!

Ref: David Hendy "Noise, a Human History of Sound & Listening, pages 254-261

( To be continued)

UM POUCO SOBRE A HISTÓRIA DA GRAVAÇÃO SONORA

Parte 1

A primeira ideia conhecida para gravar sons não aconteceu no princípio do século XX. Na verdade, foi no século XVI que alguém pensou nisto. Giovanni Batista della Porta fantasiou acerca de selar sons dentro de tubos de chumbo de forma a que pudessem ser preservados e ouvidos mais tarde.

Giovanni Batista della Porta

Não conseguiu, claro, e por isso, o som manteve-se algo completamente efémero e que não pode ser capturado até 1860, quando o tipógrafo Édouard-Léon Scott de Martinville inventou o Phonoautograph, onde "imprimiu" as ondas sonoras de uma mulher cantando "Au Clair de Lune". A "gravação" teve de esperar até  2008, quando cientistas converteram as ondas visuais em audio digital.

O Phonoautograph

Ondas sonoras visuais no phonoautograph

Em 1877, Thomas Edison inventou uma máquina que gravava e reproduzia som. O Fonógrafo. E tudo mudou.

Thomas Edison e o seu Fonógrafo

O som podia, finalmente, ser capturado, preservado e tocado uma e outra vez.

Algumas casa possuíam um fonógrafo, mas era usado sobretudo para gravar e reproduzir as vozes e os sons da família dos seus donos. Ninguém pensava em gravar música.

Músicos como Bartók e Kódaly usaram o fonógrafo para gravar músicas e canções tradicionais Húngaras, que iriam, mais tarde, influenciar as suas composições.

Havia algum negócio a florescer com esta tecnologia. Quando começou a sr possível duplicar as gravações, criaram-se companhias para explorar este novo Eldorado.

E em 1904, uma gravação de Enrico Caruso vendeu um milhão de cópias! 

Uma gravação de Caruso

A indústria discográfica tinha nascido!

Ref: David Hendy "Noise, a Human History of Sound & Listening, pags 254-261

(Continua)

WHAT DO YOU KNOW ABOUT ULTRASOUND?

We can't hear them, but we are just humans

The healthy human adult is able to hear from 20Hz up to 20KHz, although, as we grow old, this last figure is reduced to 15KHz or less. This is due to the fact that some the hair cells inside our cochlea are damaged or die and they cannot be replaced.

That's why we should have good hearing habits to prevent NIHL, noise induced hearing loss. 

Commonly, every sound above 20KHz is called ultrasound. 

Ultrasound can go up to more than 1GHz.

Ultrasound waves have exactly the same physical properties as sound waves.  We, humans, just can't hear them.

Bats, for example, can hear up to more than 100KHz and they use this to navigate with great accuracy and find prey. This ability is called biosonar.

But, insects like moths also have ultrasound hearing and use it to evade bats. 

The more developed ones can even produce "clicks" to disturb the bat's echolocation ability. It's a war out there and for every weapon, there's a new defense. It's the wonder of evolution!

Dolphins and whales also use ultrasound for navigation and prey recognition.

Dogs also hear ultrasound and some whistles produce sounds between 18KHz and 22KHz to call for them.

So, there's a big conversation going on that is beyond our hearing range.

But this doesn't mean that Man cannot share some of the benefits of ultrasound.

We'll talk about it in the next post.

O QUE É QUE SABEM ACERCA DE ULTRA-SONS?

Não os conseguimos ouvir, mas somos apenas humanos

O ouvido humano saudável consegue ouvir desde 20Hz até 20KHz, embora, à medida que envelhecemos, este último número vai-se reduzindo a 15KHz ou menos. Isto é devido ao facto de algumas células capilares dentro da nossa cóclea estarem doentes ou mortas e estas células nunca serem substituídas. 

Daí a nossa preocupação com hábitos de audição saudáveis para evitar a já falada NIHL, perda de audição induzida por ruído.

Habitualmente, qualquer som acima de 20KHz é chamado um ultra-som. 

No entanto, os ultrasons podem ir até mais de 1GHz.

As ondas dos ultra-sons têm exactamente as mesmas propriedades físicas que as ondas sonoras. Nós, humanos, é que não as conseguimos ouvir.

Os morcegos, por exemplo, conseguem ouvir até mais de 100KHz e usam isto para navegar com grande precisão e detectar presas. Esta capacidade é chamada biosonar.

Mas, insectos como as borboletas também ouvem ultrasons e aproveitam-se disso para fugir dos morcegos. 

Algumas desenvolveram a capacidade de produzir  "clicks" para perturbar a habilidade de ecolocalização dos seus inimigos morcegos. É uma guerra diária e, para cada nova arma, acaba por aparecer uma nova defesa. São as maravilhas da evolução!

Os golfinhos e as baleias também usam ultra-sons para navegar e encontrar as suas presas.

Os cães também ouvem ultra-sons e alguns apitos produzem sons entre os 18KHz e22KHz para os chamarmos.

Portanto, há uma grande conversa por aí que está para além da nossa capacidade de ouvir.

Mas isto não quer dizer que o Homem não possa tirar partido dos benefícios dos ultra-sons.

Falaremos nisso no próximo post.

WHY DO SOME THINGS BREAK WITH SOUND?

Standing Waves and Resonance

It's an old story, a soprano singer makes a note and a wine glass breaks because of it. Looks like magic.

In a Tintin adventure, professor Calculus creates a machine that can destroy a whole city with the power of a sound wave.

During the first world war, soldiers marching while crossing a bridge created a resonance strong enough to bring it down. The frequency of their steps matched exactly he resonant frequency of the bridge. From this moment on, soldiers were forbidden to march while crossing a bride.

Exactly, what happens?

Each object is composed of molecules. For every substance, there is a frequency that can resonate with the arrangement of its molecules and produce an amplification of its movement. Molecules have a certain degree of liberty to vibrate and they will oscillate at a precise frequency.

Consider a kids' swing. Every time you push it the right way it will get more momentum and your kid will go higher. But of you push it a bit too early, while the swing is still traveling in your direction, you will fight against its energy and the swing will tend to stop. 

The Standing Wave will do the same to any object: if the frequency of the sound matches the frequency at which the wine glass molecules resonate, it will start vibrating, until the dynamic forces are too strong and the structure will break.

Every object has its resonant frequency. Or more than one. If you blow air into a bottle's neck, a sound will be produced at a certain position of your mouth and the frequency will match the resonant frequency of the air column in the neck of the bottle. The same happens to all the musical instruments.

Again, the extreme power of the Standing Waves!

PORQUE É QUE ALGUMAS COISAS QUEBRAM COM O SOM?

Ondas Estacionárias e Ressonância

É uma velha história:  um cantor lírico canta uma nota e um copo de vinho parte-se por causa disso. Até parece magia.

Numa aventura do Tintin, o professor Girassol cria uma máquina que pode destruir uma cidade inteira com o poder de uma onda sonora.

Durante a Primeira Guerra Mundial, soldados atravessando uma ponte a marchar criaram uma ressonância suficientemente forte para a destruir. A frequência dos seus passos era exactamente igual à frequência de ressonância da ponte. A partir daí, todos os soldados foram proibidos de atravessar pontes marchando.

Exactamente, o que acontece?

Cada objecto é composto de moléculas. Para cada estrutura, existe uma ou mais frequências que podem ressoar com o arranjo dessas moléculas e produzir uma amplificação desse movimento. As moléculas têm alguma liberdade de vibrar e irão fazê-lo nessa frequência.

Imaginem um baloiço. Cada vez que é empurrado na direção certa e no tempo certo, vai ganhar mais energia e o vosso filho irá subir mais alto. Mas se empurrarem ligeiramente cedo demais, enquanto o baloiço ainda viaja na vossa direção, irão lutar contra a sua energia cinética e o baloiço terá a tendência a parar. 

A Onda Estacionária irá fazer o mesmo a qualquer objecto: se a frequência do som for igual à frequência a que as moléculas do copo ressoam, ele irá começar a vibrar, até que as forças dinâmicas serão fortes demais e irá partir. É fácil encontrar a frequência de ressonância de um copo passando um dedo levemente pela boca do mesmo.

Todos os objectos têm uma frequência de ressonância. Ou mais que uma. Se soprarmos ar para dentro do gargalo de uma garrafa, um som será produzido numa determinada posição da nossa boca e a sua frequência será a frequência de ressonância da coluna de ar aí contida. O mesmo aplica-se a todos os instrumentos musicais.

Mais uma vez, o enorme poder das Ondas Estacionárias!

A LIITLE BIT OF SCIENCE

The Standing Wave

I am not asking much. Just o f bit of your attention, so that we can proceed to the next post. :-)

What's a Standing Wave?

Imagine a sound wave of a certain frequency traveling between two opposite walls, whose distance is a multiple of the wave wavelenght. The wave hits the wall and bounces back with exactly the same frequency. Then, it hits the other wall and the same happens. The sum of the waves will have points where the amplitude is zero ( nodes ) and others where the amplitude is the double, or more, of each of the forming waves ( anti-nodes).

A listener standing in one of the nodes will hear nothing, whereas another one in one of the anti-nodes, will get an very amplified sound.

Standing Waves in a violin string

The Rubens tube is a very interesting experiment, where gas is excited with a sound wave. There are zones where the gas pressure is virtually zero and other where it reaches its maximum. With this experiment, the Standing Wave phenomenon is very impressive.

A Ruben's Tube with a Standing Wave

Almost every space has, a least,  a Standing Wave at a particular frequency, which is easy to calculate, given the room dimensions. One of the toughest jobs of acoustic engineers is to find the standing waves of a room and tame them so that particular frequencies won't be over amplified by the room shape and structure, distorting the correct perception of the sound source.

But Standing Waves'  effect can be used for specific purposes. And very clever ones.

Now, that you know what's a Standing Wave, we can go to the next "post" and talk about some very interesting phenomenons.

UM POUCO DE CIÊNCIA

A Onda Estacionária

Não estou a pedir muito. Só um pouco da vossa atenção, de forma a termos bases para prosseguir para o próximo post. :-)

O que é uma Onda Estacionária?

Imagine uma onda sonora de uma determinada frequência, viajando entre duas paredes opostas, cuja distância é uma múltiplo do seu comprimento de onda. A onda bate na parede e é reflectida para trás com a mesma frequência. Depois, bate na outra parede e o mesmo acontece. A soma das ondas irá ter pontos onde a amplitude é zero ( nodos ) e outros onde a amplitude é o dobro, ou mais,  das ondas que lhe deram origem ( anti-nodos).

Um observador colocado num dos nodos não ouvirá nada, enquanto que outro, posicionado num dos anti-nodos, escutará o som bastante amplificado.

Ondas estacionárias numa corda de violino

O tubo de  Rubens é uma experiência muito interessante, onde um gás é excitado por uma onda sonora estacionária. Vêem-se zonas onde a pressão do gás é virtualmente zero e outras onde atinge um máximo. Esta experiência, demonstra, de forma impressionante, o efeito da Onda Estacionária.

Um tubo de Rubens com uma onda estacionárias

Quase todos os espaços têm, no mínimo, numa Onda Estacionária, numa determinada frequência, que será fácil de calcular baseada nas suas dimensões. Um dos trabalhos mais difíceis dos engenheiros acústicos é encontrar formas de dominar e anular as Ondas Estacionárias de uma sala, de forma que não alterem o equilíbrio acústico, com o objectivo de não permitir que certas  frequências sejam sobre-amplificadas pela forma e estrutura da sala , distorcendo a percepção correcta da fonte sonora.

Mas as Ondas Estacionárias podem ser usadas para servir propósitos específicos. E muito inteligentes.

Agora, que vocês já compreenderam o que é uma Onda Estacionária, já posso prosseguir para o próximo "post" e falar-vos de fenómenos muito interessantes.