Типи звукових хвиль

Частота

Частота — це кількість коливань певної точки звукової хвилі в секунду. Одному циклу коливання в секунду відповідає величина 1 Гц (1/с).

Людина чує звук з частотами від 16 Гц до 20 кГц. Границі чутності визначені не строго і змінюються від людини до людини. Деякі тварини можуть чути звуки з частотою, нижчою від 16 Гц, інші - з частотою понад 20 кГц.

Діапазон від 16 Гц до 20 кГц називають чутним діапазоном. Звуки з частотами до 16 Гц називаються інфразвуком, понад 20000 Гц — ультразвуком. Звуки з частотою 10⁹-10¹³ Гц називають гіперзвуком.

Людське вухо сприймає та розрізняє частоту звукових коливань як висоту звуку або тон.

Швидкість звуку

Швидкість звуку — швидкість поширення звукових хвиль у середовищі.

Швидкість звуку залежить від середовища, через яке проходять звукові хвилі і визначається його параметрами - модулями пружності. Загалом вона дорівнює кореню квадратному похідної від модуля пружності середовища відносно густини.

де — адіабатична стисливість середовища; — густина.

Довжина хвилі

Довжина звукової хвилі визначається її частотою та швидкістю:

,

де - довжина хвилі, - частота, - швидкість звуку.

Довжини звукових хвиль чутного діапазону лежать у межах від приблизно 2 см до приблизно 20 м.

Гучність звуку

Гучність звуку — суб'єктивне сприйняття сили звуку (абсолютна величина слухового відчуття). Гучність головним чином залежить від звукового тиску, амплітуди й частоти звукових коливань. Гучність звуку визначається амплітудою коливань, однак гучність - суб'єктивна характеристика інтенсивності звуку, тоді як об'єктивною фізичною характеристикою є звуковий тиск.

Типи звукових хвиль

Пласка хвиля коливається в одній площині.

u = A*sin(ωt - k*r), де

А - амплітуда,ω - кругова частота,t - час,k - хвильове число, k = 2 * π / λ,r - відстань від джерела до місця вимірювання.

Циліндрична хвиля - пряма, що коливається у напрямку, перпендикулярному собі.

Сферична хвиля - хвиля, яка розповсюджується від точкового джерела або збігається до нього.

9. Реверберація

Ревербера́ція — залишкове «післязвуччя» у закритих приміщеннях. Утворюється внаслідок багатократного відбиття від поверхонь та одночасного поглинання звукових хвиль. Реверберація характеризується проміжком часу (у секундах), протягом якого сила звуку зменшується на 60 дБ.

Явище реверберації полягає у суперпозиції різних ехосигналів від одного джерела звуку. Ефект реверберації можна спостерігати в закритих приміщеннях після вимкнення джерела звуку. Художньо-естетичне враження, що створюється реверберацією, залежить від контексту звукового твору і визначається у вищих відділах головного мозку.

Елементи реверберації:

Прямий звук – перший звук, який потрапляє безпосередньо від джерела до слухача і має найбільшу інтенсивність. Згідно з дослідженнями Гааса, суб'єктивна оцінка локалізації джерела звуку визначається саме прямим звуком і відбиттями, що приходять протягом 1 мс.

Час затримки першого відбиття (англ. Initial Time Delay Gap), що позначають ITDG або t1 – часовий інтервал між сприйманим слухачем прямого звуку і його першого відбиття. Значеня цього параметру визначає суб'єктивне враження величини приміщення. З дослідів Беранка випливає, що в найкращих концертних залах t1 для слухача, що сидить у центрі залу це значення становить від 15 до 30 мілісекунд. Звідси випливає, шлях, який долає відбитий звук має бути на 5 - 10 метрів довшим ніж шлях прямого звуку. Якщо значення t1 є завеликим (від 50 до 70 мілісекунд), у слухача виникне враження перебування у величезному просторі. Відбиття із запізненням понад 100 мс сприймається як луна.

Ранні відбиття (англ. early reflections) – група відбиттів, що приходять до слухача через 80 мс після прямого звуку. Гаас дослідив, що відбиття із часом затримки 20-50 мс справляють враження збільшеня гучності прямого сигналу. Звуки, що затримуються на 40 мс посилюють враження акустичної близькості. Для досягнення повноти звучання, ранні відбиття повинні приходити з якнайбільшої можливої кількості напрямків.

"хвіст" реверберації – складається з великої кількості багаторазово відбиттів звуку (згідно з Кремером і Мюлером протягом секунди до слухача приходить до 2000 відбиттів). Інтервали між послідовними відбиттями сигналу настільки короткі, що „хвіт” реверберації має характер поступово зникаючого продовження прямого сигналу. У залежності від коефіцієнтів поглинання поверхонь приміщення, „хвіст” може зникати повільно або раптово, що виражається у часі реверберації приміщення.

10. Психоакустика та її застосування у комп’ютерній обробці звуку

Психоакустика - наукова дисципліна, що вивчає психологічні та фізіологічні особливості сприйняття звуку людиною.

В аспекті суто музичному, основними завданнями психоакустики є наступні:

● зрозуміти, як система слухового сприйняття людини розшифровує той чи інший звуковий образ;

● встановити основні відповідності між фізичними стимулами і слуховими відчуттями;

● виявити, які саме параметри звукового сигналу є найбільш значущими для передачі семантичної (смислової) і естетичної (емоційної) інформації.

Людське вухо номінально чує звуки в діапазоні від 16 до 20 000 Гц. Верхня межа має тенденцію знижуватися з віком. Більшість дорослих людей не можуть чути звук частотою вище 16 кГц. Вухо само по собі не реагує на частоти нижче 20 Гц, але вони можуть відчуватися через органи дотику.

Психоакустичні моделі слуху дозволяють з високою якістю виробляти компресію сигналу з втратою інформації (коли відновлений сигнал не збігається з вихідним), за рахунок того, що дозволяють точно описати, що можна безпечно видалити з вихідного сигналу - тобто без значного погіршення якості звуку. На перший погляд може здатися, що навряд чи це дозволить забезпечити сильне стиснення сигналу, однак програми, що використовують психоакустические моделі, дозволяють домогтися зменшення обсягів файлів з ​​музикою в 10-12 разів, і при цьому різниця в якості буде не дуже значна.

До таких видів компресії відносяться всі сучасні формати стиснення звуку з втратами:

MP3 - практично те ж саме що і Musicam, який використовується для цифрового аудіовіщання в деяких країнах, і вважається більш професійним алгоритмом стиснення (також відомий як MPEG- 1 Layer 3).

● Ogg Vorbis

● WMA

● AAC

11. Оцифровування аудіо-сигналу:теорема Котельникова-Шеннона

Теоре́ма Коте́льникова гласит, что, если аналоговый сигнал имеет конечный (ограниченный по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим отсчётам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты :

Такая трактовка рассматривает идеальный случай, когда сигнал начался бесконечно давно и никогда не закончится, а также не имеет во временно́й характеристике точек разрыва. Именно это подразумевает понятие «спектр, ограниченный частотой ».

Разумеется, реальные сигналы (например, звук на цифровом носителе) не обладают такими свойствами, так как они конечны по времени и обычно имеют разрывы во временно́й характеристике. Соответственно, их спектр бесконечен. В таком случае полное восстановление сигнала невозможно и из теоремы Котельникова вытекают два следствия:

● Любой аналоговый сигнал может быть восстановлен с какой угодно точностью по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой , где — максимальная частота, которой ограничен спектра реального сигнала;

● Если максимальная частота в сигнале превышает половину частоты дискретизации, то способа восстановить сигнал из дискретного в аналоговый без искажений не существует.

Говоря шире, теорема Котельникова утверждает, что непрерывный сигнал можно представить в виде интерполяционного ряда

где — функция sinc. Интервал дискретизации удовлетворяет ограничениям Мгновенные значения данного ряда есть дискретные отсчёты сигнала .

Дата добавления: 2015-10-29