Свойства звуковых сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сигнал - это информационная функция, несущая сообщение о физических свойствах, состоянии или поведении какой-либо физической системы, объекта или среды, а целью обработки сигналов в самом общем смысле можно считать извлечение определенных информационных сведений, которые отображены в этих сигналах (кратко - полезная или целевая информация) и преобразование этих сведений в форму, удобную для восприятия и дальнейшего использования.

Рисунок 1.Сигнал.

В общем случае сигналы являются многомерными функциями пространственных, временных и прочих независимых переменных. Все большее применение находят также многомерные сигналы, образованные некоторым множеством одномерных сигналов.

Рисунок 3. Двумерный сигнал.

Многомерные сигналы могут иметь различное представление по своим аргументам. Также многомерный сигнал может рассматриваться, как упорядоченная совокупность одномерных сигналов. С учетом этого при анализе и обработке сигналов многие принципы и практические методы обработки одномерных сигналов, математический аппарат которых развит достаточно глубоко, распространяются и на многомерные сигналы. Физическая природа сигналов для математического аппарата их обработки значения не имеет.

Вместе с тем обработка многомерных сигналов имеет свои особенности и может существенно отличаться от одномерных сигналов в силу большего числа степеней свободы. Так, при дискретизации многомерных сигналов имеет значение не только частотный спектр сигналов, но и форма растра дискретизации.

Звуковые сигналы, типы

1 Аналоговый сигнал

<>

Рисунок 5. Аналоговый сигнал.

Аналоговый сигнал (analog signal) является непрерывной функцией непрерывного аргумента, т.е. определен для любого значения аргументов. Источниками аналоговых сигналов, как правило, являются физические процессы и явления, непрерывные в динамике своего развития во времени, в пространстве или по любой другой независимой переменной, при этом регистрируемый сигнал подобен (“аналогичен”) порождающему его процессу.

Пример математической записи сигнала: y(t) = 4.8 exp[-(t-4)2/2.8]. Пример графического отображения данного сигнала приведен на рисунке 5, при этом как сама функция, так и ее аргументы, могут принимать любые значения в пределах некоторых интервалов y1 Дy Д y2, t1 Д t Д t2. Если интервалы значений сигнала или его независимых переменных не ограничиваются, то по умолчанию они принимаются равными от - Д до + Д. Множество возможных значений сигнала образует континуум - непрерывное пространство, в котором любая сигнальная точка может быть определена с точностью до бесконечности.

Примеры сигналов, аналоговых по своей природе - изменение напряженности электрического, магнитного, электромагнитного поля во времени и в пространстве.

2 Дискретный сигнал

<>

Рисунок 6. Дискретный сигнал.

Дискретный сигнал Дdiscrete signal) по своим значениям также является непрерывной функцией, но определенной только по дискретным значениям аргумента. По множеству своих значений он является конечным Дсчетным) и описывается дискретной последовательностью отсчетов Дsamples) yДnДt), где y1 Д y Д y2, Дt - интервал между отсчетами Динтервал или шаг дискретизации, sample time), n = 0,1,2,...,N.

Величина, обратная шагу дискретизации: f = 1/Дt, называется частотой дискретизации Дsampling frequency).

Если дискретный сигнал получен дискретизацией Дsampling) аналогового сигнала, то он представляет собой последовательность отсчетов, значения которых в точности равны значениям исходного сигнала по координатам nДt.

Пример дискретизации аналогового сигнала, приведенного на рисунке 5, представлен на рисунке 6. При Дt = const Дравномерная дискретизация данных) дискретный сигнал можно описывать сокращенным обозначением yДn) или y[t]. При неравномерной дискретизации сигнала обозначения дискретных последовательностей обычно заключаются в фигурные скобки - {sДti)}, а значения отсчетов приводятся в виде таблиц с указанием значений координат ti. Для числовых последовательностей Дравномерных и неравномерных) применяется и следующее числовое описание:

sДti) = {a1,a2, ..., aN}, t = t1,t2, ...,tN.

3. Цифровой сигнал

Рисунок 7. Цифровой сигнал.

Цифровой сигнал Дdigital signal) квантован по своим значениям и дискретен по аргументу. Он описывается квантованной решетчатой функцией yn = Qk[yДnДt)], где Qk - функция квантования с числом уровней квантования k, при этом интервалы квантования могут быть как с равномерным распределением, так и с неравномерным, например - логарифмическим. Задается цифровой сигнал, как правило, в виде дискретного ряда числовых данных - числового массива по последовательным значениям аргумента при Дt = const, но в общем случае сигнал может задаваться и в виде таблицы для произвольных значений аргумента.

По существу, цифровой сигнал по своим значениям Дотсчетам) является формализованной разновидностью дискретного сигнала при округлении отсчетов последнего до определенного количества цифр, как это показано на рисунке 7. Цифровой сигнал конечен по множеству своих значений. Процесс преобразования бесконечных по значениям аналоговых отсчетов в конечное число цифровых значений называется квантованием по уровню, а возникающие при квантовании ошибки округления отсчетов Дотбрасываемые значения) - шумами Дnoise) или ошибками Дerror) квантования.

В дискретных системах и в ЭВМ сигнал всегда представлен с точностью до определенного количества разрядов, а, следовательно, всегда является цифровым. С учетом этих факторов при описании цифровых сигналов функция квантования обычно опускается Дподразумевается равномерной по умолчанию), а для описания сигналов используются правила описания дискретных сигналов. Что касается формы обращения цифровых сигналов в системах хранения, передачи и обработки, то, как правило, они представляет собой комбинации коротких одно- или двуполярных импульсов одинаковой амплитуды, которыми в двоичном коде с определенным количеством числовых разрядов кодируются числовые последовательности сигналов Дмассивов данных).

<>

Рисунок 8. Дискретно-аналоговый сигнал.

В принципе, квантованными по своим значениям могут быть и аналоговые сигналы, зарегистрированные соответствующей аппаратурой Дрисунок 8), которые принято называть дискретно-аналоговыми. Но выделять эти сигналы в отдельный тип не имеет смысла - они остаются аналоговыми кусочно-непрерывными сигналами с шагом квантования, который определяется допустимой погрешностью измерений.

Свойства звуковых сигналов

В соответствии с общим представлением звуковые сигналы излучаются источниками звука, которые определенным образом рассредоточены в пространстве. Распространяясь в виде звуковых волн в окружающей среде, они достигают барабанной перепонки уха и таким образом становятся объектом восприятия. Эти звуковые сигналы могут быть описаны временной функцией звукового давления P(t). Вид функции P(t) зависит от пространственной и временной структур звуковых полей, которые определяются характером сигналов, излучаемых источниками звука, а также количеством источников и особенностями их распределения в пространстве.

Звук, как и любой сигнал, представляющий собой функцию времени (звуковое давление, колебательная скорость, электрическое напряжение и т. д.), может быть разложен в ряд элементарных сигналов. Так, эту функцию можно представить в виде последовательности коротких импульсов. Другой способ представления сложного сигнала связан с разложением сигнала на гармонические колебания (непрерывные тоны), с помощью преобразования Фурье. По определению, непрерывные тоны - это сигналы, энергия которых сосредоточена в наиболее узкой полосе частот. Условию сосредоточения энергии сигнала в возможно более узком временном интервале удовлетворяют короткие импульсы.

Природные звуки, звуки речи, музыки, шумы и другие звучания акустического окружения человека обычно рассматриваются как случайные сигналы весьма нерегулярной формы. Свойства таких сигналов определяются их статистическими характеристиками, которые отображаются в виде распределения случайных величин по уровню, по частоте и по времени. Среди основных характеристик звука выделяют среднее значение уровня, динамический диапазон, спектр, частотный диапазон и корреляционные функции.

Динамический диапазон акустического сигнала характеризует диапазон изменения его уровней. Графически представленная зависимость уровня сигнала от времени называется уровнеграммой.

Введено понятие квазимаксимального уровня сигнала Lмакс. По определению относительная длительность существования уровней ниже Lмакс равна 2% для музыкальных сигналов, и 1% - для речевых. Одновременно принято и понятие квазиминимального уровня Lмин. Относительная длительность существования уровней не ниже Lмин составляет соответственно 99 и 98% (соответственно относительная длительность существования уровней не выше квазиминимального будет составлять 2 и 1%). Динамическим диапазоном называется разность квазимаксимального и квазиминимального уровней Lмакс-Lмин

Средний уровень интенсивности акустического сигнала определяют как средний статистический для отдельных длительных интервалов времени и измеряемой прибором, имеющим постоянную времени не менее 3-5 с. Разность между квазимаксимальными и усредненными уровнями называют пик-фактором (П=Lмакс-Lср).

Сложный акустический сигнал, как правило, имеет непрерывно изменяющиеся форму и состав частотного спектра. Спектры звуков могут быть дискретными, сплошными и смешанными, высокочастотными и низкочастотными. Для случайных сигналов вводится понятие энергетического спектра, показывающее среднюю мощность, приходящуюся на 1 Гц при заданной частоте. Частотный диапазон сложного акустического сигнала определяют из кривой спектральных уровней.

Основные свойства звука

сигнал звук акустический аналоговый

Звуковые колебания несут в себе информацию о таких свойствах звука, как высота, длительность и громкость.

Высота звука представляет собой восприятие мозгом частоты колебаний. Далеко не все колебания будут восприняты нами как звук. Большинство людей способно воспринимать звуковые колебания с частотой от 20 до 18 000 раз в секунду (от 20 Гц до 18 кГц, Гц -- единица измерения частоты, 1 Гц = 1 раз в секунду, 1 кГц = 1000 Гц). Чем чаще колебания, тем выше воспринимаемый нами звук. Например, комар совершает от 300 до 500 полных взмахов крылышками в секунду, то есть совершает колебания с частотой 300-500 Гц, которые и воспринимаются нами как «комариный писк».

Длительность звука представляет собой восприятие продолжительности колебаний.

Громкость звука -- восприятие амплитуды колебаний. Единицей измерения громкости является децибел, но это величина относительная. Удвоение амплитуды звуковых колебаний соответствует увеличению громкости на 6 децибел, и наоборот.

Существуют две наиболее распространенные шкалы громкости. Согласно первой из них, абсолютной, за ноль децибел принимается уровень громкости, находящийся на пороге слышимости.

Однако обычно пользуются другой шкалой, согласно которой ноль децибел -- это максимальный уровень громкости, который данное звукозаписывающее устройство может отобразить без искажений. Таким образом, при записи звука 0 дБ соответствует максимальному значению амплитуды, а все более тихие звуки имеют отрицательные значения амплитуды. Положительный входной уровень громкости является перегрузкой, то есть сигнал будет записан неправильно, и при его воспроизведении будут слышны характерные высокочастотные искажения.

Спектр звука, тембр звучания и аналоговый метод записи

Звуковые колебания обычно бывают сложными. Например, если взять на скрипке ноту «ля» первой октавы (частота 440 Гц), то в колебаниях струны будут присутствовать также частоты 880, 1320, 1760, 2200 Гц и некоторые другие. При этом звук каждой частоты будет иметь определенную громкость, не зависящую от громкости звуков на других частотах. Амплитудно-частотное соотношение всех составных частей сложного колебания принято называть спектром звука, а звуки, соответствующие каждой присутствующей в сложном колебании частоте, -- спектральными составляющими. Набор спектральных составляющих определяет тембр звучания.

Звуковые колебания, в которых присутствует всего одна частота, называются синусоидальными.

Если мы изобразим их на графике в виде зависимости амплитуды сигнала от времени, то полученный график будет представлять собой синусоиду. Любое сложное колебание может быть представлено в виде суммы нескольких синусоидальных колебаний, имеющих различные частоты и амплитуды. Подобное графическое представление звуковых колебаний принято называть волновой формой звука.

Чтобы тот или иной звук передать на значительное расстояние, механические звуковые колебания преобразовывают в электрический сигнал. Изменение давления легко измерить с помощью простейшего «микрофона». Достаточно прикрепить к тонкой пленке проволочный виток и поместить рядом магнит. Тогда при изменении давления положение пленки будет также меняться, что в магнитном поле вызовет возникновение в проволочном витке переменного электрического тока. Значения этого сигнала будут соответствовать колебаниям давления воздуха. Возможность преобразования звука в колебания электрического тока лежит в основе многих знакомых Вам устройств, например радио, телефона и магнитофона. Кроме того, необходимо отметить, что этот процесс обратим. Колебания электрического тока, подаваемого на проволочный виток, заставят колебаться пленку, что в свою очередь создаст звуковую волну.

Размещено на Allbest.ru