Характеристики звука

Тема: Компьютерная обработка аудиоданных

1 Характеристики звука

2 Синтез и методы обработки звука

3 Звуковые эффекты

4 Стандарт MIDI

5 Компьютерные звуковые платы и форматы звуковых файлов

Для создания звуков применяется имитационный синтез (имитация естественных звуков и акустических музыкальных инструментов) и чистый синтез (получение звуков не встречающихся в природе). В результате обработки также можно получить новые звуки из уже существующих. Имеются следующие виды работ со звуком: синтез, обработка и наложение звуковых эффектов. Реализация этих работ стала возможной, в первую очередь, в связи с развитием информационных технологий.

Характеристики звука

К основным характеристикам звука относятся:

· амплитуда - определяет наибольшую величину колебаний, т.е. громкость или силу звука;

· спектральный состав - определяет окраску или тембр звука;

· изменение амплитуды во времени (амплитудная огибающая).

Рисунок 1 - Фазы сигнала генератора огибающей

Примерный вид огибающей любого природного звука представлен на рисунке 1.

На огибающей обозначены фазы развития звука, принятые в акустике:

· атака (attack) - начальная фаза, подъем;

· остановка (hold) - короткая стабилизация после подъема;

· спад (decay) - фаза перехода звука в установившееся состояние;

· удержание (sustain) - фаза "поддержки";

· затухание (release) - послезвучание.

Представление звука в цифровом виде.Звук переводится в цифровой вид путем дискретизации реального сигнала по времени и квантования по уровню. В результате получается последовательность дискретных чисел, которые описывают процесс развития звука, определяя его состояние в определенные моменты времени. Измеренная величина существует в форме числа, поэтому копирование оцифрованного сигнала происходит без потери качества, так как переписывается лишь число. Для того чтобы без потерь оцифровать сигнал, частота дискретизации должна быть как минимум вдвое выше максимальной частоты сигнала (включая гармоники). Для качественной оцифровки частота дискретизации должна выбираться, исходя из полосы пропускания канала (для звуковой аппаратуры Hi-Fi - 20-25 кГц): стандартное значение в системе «компакт-диск» - 44.1 кГц. Там же используется 16-pазpядная оцифровка.

Устройство, осуществляющее дискретизацию звукового сигнала, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП), в англоязычном варианте – Audio-to-Digital converter (ADC), международное обозначение – coder/decoder, codec. Принцип работы АЦП можно представить так: через определенные промежутки времени измеряется амплитуда сигнала и по числовому тракту передается последовательность чисел, несущих информацию об изменениях величины амплитуды. Во время оцифровки сигнала не происходит никакого его физического преобразования. С электрического сигнала как бы снимается отпечаток или образец, являющийся цифровой моделью колебаний напряжения в аудиотракте.

Одной из двух основных характеристик качества устройства, осуществляющего перевод непрерывного сигнала в дискретный (АЦП), является частота дискретизации (указывается в килогерцах (кГц)). Это то количество измерений амплитуды сигнала, которое способно осуществить устройство за одну секунду. В современных устройствах для качественного преобразования аналогового сигнала в цифровой применяют частоты более чем в два раза превышающие верхнюю границу звукового диапазона: 44,1 и 48 кГц. А в новом формате компакт-дисков «DVD» применяется частота сэмплирования 96 кГц. То есть за 1 секунду сигнал измеряется 96 тысяч раз! Во многих случаях (создание звука для мультимедийного приложения, запись голоса телефонного качества и т.д.) применяются меньшие частоты дискретизации, что позволяет сэкономить вычислительные ресурсы устройств и оперировать большими объемами информации. Общепринятыми в современной аудиоиндустрии частотами дискретизации являются: 8 кГц, 11,025 кГц(качество телефонной линии), 22,05, 24, 32 кГц, 44,1 кГц(качество СD), 48 кГц(качество DAT), 96 кГц(стандарт DVD).

Второй основной характеристикой, характеризующей качество АЦП, является его разрядность сэмплирования (указывается в битах).Этот параметр указывает, с какой точностью происходят измерения амплитуды аналогового сигнала. Точность, с которой при оцифровке передается значение амплитуды сигнала в каждый из моментов времени, фактически определяет качество сигнала после цифро-аналогового преобразования. От этой точности зависит достоверность восстановления формы волны.

Чем больше разрядов в числе, тем точнее записываются результаты измерений, соответственно, тем шире передаваемый динамический диапазон– т.е. максимально возможная разность между двумя сигналами разной громкости, воспроизводимыми в пределах одного отсчета. При расчетах 1 бит (разряд) приравнивается к 6,01 дБ, таким образом получается, что при 20-битном представлении сигнала его динамический диапазон равен 120 дБ, а при 16-битной разрядности динамический диапазон равен 92 дБ.