Основные свойства звука

Введение

Одной из важных составных частей современной вычислительной системы являются мультимедийные средства.

Дословный перевод слова «мультимедиа» означает «многие среды» («multi» – «много», «media» – «среда»). Под этим термином понимается одновременное воздействие на пользователя по нескольким информационным каналам. При этом пользователю, как правило, отводится активная роль.

Мультимедиа – это интерактивные (диалоговые) системы, обеспечивающие одновременную работу со звуком, анимированной компьютерной графикой, видеокадрами, статическими изображениями и текстами.

Важной составной частью мультимедиа является звук или аудио, звуковая информация (аудиоинформация).

В компьютерной технике аудиоинформация представляется в цифровом виде.

По мере развития компьютерных технологий возрастают требования к представлению аудиоинформации. Эти требования охватывают вопросы повышения естественности воспроизведения звука, сокращения объема аудиофайлов при сохранении высокого качества их звучания и т. п.

Некоторым вопросам данной области и посвящено предлагаемое пособие.

Для успешного усвоения материала пособия необходимо свободно владеть вопросами формирования цифрового представления аудиоинформации из аналоговой ее формы, особенностями спектрального анализа на основе преобразования Фурье, знать принципы построения фильтров в различных частотных диапазонах.

Основные свойства звука

Чаще всего в звуке рассматривается амплитуда и спектральный состав звукового колебания, а также их изменение во времени [1].

Амплитуда (amplitude) определяет максимальную интенсивность колебаний – громкость (volume) или силу звука. На осциллограмме амплитуда представляется размахом сигнала – наибольшим и наименьшим относительно среднего значения уровнями.

Спектральный состав определяет окраску или тембр звука (timbre). Любое периодическое колебание может быть представлено рядом Фурье – суммой конечного числа синусоидальных колебаний (чистых тонов). Спектр звука представляет собой график интенсивностей (амплитуд) этих частотных составляющих, обозначаемых обычно в виде вертикальных линий соответствующей высоты. Спектр чистого тона имеет только одну линию, соответствующую его частоте; спектр любого другого колебания имеет более одной линии. Если на спектре звука имеется достаточно острый пик, то такой звук воспринимается на слух как тон соответствующей высоты, а остальные составляющие определяют его окраску; в противном случае звук воспринимается как одновременное звучание нескольких тонов или шум. Частотные составляющие, кратные основной частоте тона, называются гармониками (harmonics) или обертонами; гармоники нумеруются, начиная с самого основного тона (первая гармоника), а обертоны – с первой кратной составляющей (первый обертон – вторая гармоника и т. д.).

Из-за особенностей слухового восприятия высота звука определяется больше по его спектральному составу, нежели по самому основному тону.

Например, субъективная высота большинства спектрально богатых низкочастотных звуков практически не меняется даже при полном удалении из них основного тона, который в слуховом аппарате восстанавливается по разностным частотам первых обертонов.

Изменение амплитуды во времени называется амплитудной огибающей (envelope) звука – на амплитудном графике она как бы огибает график колебания, а график получается как бы вписанным в огибающую. Любой природный звук имеет огибающую, примерно такого вида (рис. 1.1):

Рис. 1.1. Фазы звука

Цифрами обозначены фазы развития звука, принятые в акустике:

1 – атака (attack) – начальная фаза, подъем;

2 – остановка (hold) – короткая стабилизация после подъема;

3 – спад (decay) – фаза перехода звука в установившееся состояние;

4 – удержание (sustain) – фаза «поддержки»;

5 – затухание (release) – послезвучание.

Фаза поддержки имеет место лишь в том случае, когда вызвавшее появление звука воздействие остается постоянным в течение какого-то времени (например, движение пилы по металлу или поток воздуха в духовом инструменте).

Аналогично, имеется понятие спектральной огибающей – трехмерный график изменения спектра (и соответственно – тембра) во времени.

Кроме периодических колебаний – тонов – рассматриваются также непериодические колебания – шумы. Для шума характерно более или менее равномерное распределение интенсивности по спектру, без явно выраженных пиков или спадов. В основном различается два вида шума: белый и розовый.

Белый шум имеет равномерную спектральную плотность и в чистом виде в природных звуках не встречается, однако часто встречается в электронных приборах; плотность «розового» шума спадает с ростом частоты (1/ f) – это характеристика шума дождя, прибоя, ветра и прочих неярко выраженных природных шумов. Иногда рассматривается также «коричневый» шум с плотностью 1/ f ², быстро спадающей с ростом частоты – характеристика, близкая к звукам ударного происхождения (гром, обвал).