Гучність, амплітуда і потужність

Крім висоти тону людина відчуває і іншу характеристику звуку гучністьФізичні величини, найбільш точно відповідні гучності, це звуковий тиск (Для звуків у повітрі) і амплітуда(Для цифрового або електронного подання звуку)

Якщо говорити про оцифрованному сигналі, то амплітуда це значення вибірки Аналізуючи мільйони дискретних значень рівня одного і того ж звуку, часто говорять пропікової амплітуді,тобто про абсолютну величину максимального з отриманих дискретних значень рівня звуку Щоб уникнути спотворення, викликаногоспотворенням обмеженнясигналу при цифрового запису звуку (дане спотворення виникає в тому випадку, якщо величина пікової амплітуди виходить за межі, обумовлені форматом зберігання даних), необхідно звернути увагу на величину пікової амплітуди При цьому потрібно зберігати відношення сигнал / шумна максимально досяжному рівні (Пізніше ми обговоримо обидві ці концепції) Перш ніж перейти до визначеннясередньої амплітуди, я хочу відхилитися від теми і поговорити про повязаної з нею концепції потужності

Основною причиною різної гучності звуків є різне тиск, який чиниться ними на ваші вуха Фізик сказав би, що хвилі тиску володіють різними рівнями потужності Хвилі, несучі велику потужність, з більшою силою надають вплив на механізм ваших вух Електричні сигнали, що йдуть по проводах, також передають потужність По проводам звук зазвичай передається у вигляді змінної напруги, і миттєва потужність цього звуку пропорційна квадрату напруги Щоб визначити повну потужність за період часу, необхідно підсумувати всі значення моментальної потужності за цей період

Мовою математики це описується інтегралом ∫ υt  dt , Де υtце напруги-

ня в заданий момент часу

Оскільки ви використовуєте звук, представлений дискретними значеннями, вам не знадобиться брати інтеграл Досить просто скласти квадрати відліків Середнє значення квадратів дискретних значень пропорційносередньої потужності

Так як моментальна потужність залежить від квадрата моментальної амплітуди, має сенс аналогічним чином підібрати схоже співвідношення, що звязує середню амплітуду і середню потужність Спосіб, яким це можна зробити, полягає у визначеннісередньої амплітудияксреднеквадратической амплітуди (СКЗ)Замість того, щоб обчислювати середнє значення безпосередньо амплітуди, ми спочатку будуємо в квадрат отримані значення, обчислюємо середнє значення отриманого безлічі, а потім витягаємо з нього корінь Метод СКЗ застосовується в тому випадку, коли необхідно обчислити середнє для мінливої ​​величини Алгебраїчно це виражається таким чином: нехай у нас  N  значень іx(i)  це амплітудаi-Ого дискретного значення Тоді

СКЗ амплітуди =

N

∑ (( x(i))2       

N i =0

Я мовчу про те, що потужність всього лише пропорційна зведеної в квадрат величиною дискретного значення Це означає, що для переходу до реальної потужності, цю величину необхідно помножити на деякий коефіцієнт Безумовно, вам як програмісту можуть і не знадобитися точні дані про електричної потужності, так що, насправді, нас не цікавлять точні числа, швидше відносна потужність

Відносна потужність вимірюється вбелах,а частіше вдецибелах(ДБ, децибел, це одна десята білого) Щоб порівняти два звуки, береться ставлення їх потужності Десятковий логарифм цього відношення і є відмінність в белах якщо помножити вийшло число на десять, то вийде значення в децибелах Наприклад, якщо потужність одного сигналу перевершує потужність іншого в два рази, то перший сигнал буде голосніше на 10log10 (2) ≈ 3,01 дБ

Зверніть увагу, що децибели можна застосовувати тільки дляпорівняння

двох сигналів Однак вимір звуків у децибелах виявилося настільки зручним, що інженери-акустики домовилися використовувати деякий звук в якості стандартного еталона1 Цей еталон дуже близький до самого тихому звуці, що тільки може розчути чоловік Найгучніший звук, який здатний чути людина, голосніше еталона приблизно на 120 дБ (В мільйон мільйонів разів голосніше, ніж еталон) його гучність майже відповідає гучності працюючого поруч реактивного двигуна Як ми бачимо, слух людини пристосований для сприйняття звуків у широкому діапазоні гучності

Шкала децибелів також використовується для вимірювання втрат звуку Якщо два різних звуку з однієї і тієї ж енергією пропустити через деяку електронну ланцюг або цифровий алгоритм обробки звуку, на виході один звук може опинитися на 6 дБ слабкіше іншого

Шкала децибелів використовується і для вимірювання рівня шуму або спотворюючи-

ний, які були додані (ненавмисно) до будь-якого сигналу

1 Строго кажучи, в якості цього стандартного еталона, який застосовується тільки для вимірювання звуку в повітрі, використовується 1000-Герцева тон, що викликає коливання тиску повітря силою 20 мікропаскалей

Розглянемо приклад При запису музичного компакт-диска для зберігання відліків звуку використовуються 16-бітові цілі числа Це дає діапазон значень від -32768 до +32767 Так як істинний фізичний сигнал округлюється до найближчого цілого значення, помилка не перевищує 0,5, що в 2-16  разів менше, ніж максимальна величина відліку Як було зазначено раніше, потужність залежить від квадрата амплітуди, так що потужність помилки в 2 32 разів менше, ніж максимально допустима гучність сигналу Максимально допустима потужність сигналу відноситься до потужності максимальної помилки (шуму) як 232 до одного, що відповідає 10 log10 (232) ≈ 96,3 дБ

Є кілька причин, по яких за допомогою вимірів, проведених у де-

Цібели, вдається добре апроксимувати те, як людина відчуває гучність Поперше, почуття слуху у людини дуже близько до логарифму: відчувається різниця в гучності двох звуків залежить від ставлення, а немає від різниці потужностей кожного з звуків Хоча це буде і не зовсім коректно, було б непогано розглядати децибел як мінімально ощущаемое зміна гучності

Ще один аспект, для якого вимірювання в децибелах дають точну картину відчуттів людини це те, що відчувається гучність дуже сильно залежить від відносної потужності Зокрема, відома акустична ілюзія, звана маскированием Якщо звук утворюється двома незалежними компонентами і одна з цих компонент набагато голосніше інший, то більш тиха компонента часто буде нечутно Фактично, слух людини «налаштовується» до рівня більш гучного звуку і більш тихий звук чується набагато більш тихим, ніж він є насправді Це особливо відноситься до тих ситуацій, коли у цих звуків дуже близькі висоти тону

Ефект маскування це важливий інструмент у сучасній аудіокомпресії Визначаючи і вибірково відкидаючи слабкі звуки, які будуть маскуватися більш гучними, ви зможете в цілому спростити звук і добитися того, що стиснути його буде простіше Добре розуміння ефекту маскування дозволить вам виявити найбільш чутні складові складного звуку: для цього потрібно зрозуміти, що звуки з найбільшими амплітудами зовсім не обовязково чутні краще за всіх інших

Є ще кілька чинників, які впливають на наше сприйняття гучності По-перше, гучність частково залежить від висоти тону Слух людини більш чутливий у певному середньому діапазоні частот Його чутливість прогрессирующе падає на більш низьких або високих тонах В результаті цього, якщо взяти звук середньої висоти тону і звук високого тону, у яких буде однакова потужність, то більш гучним здасться звук середнього тону

Крім того, складні звуки людина чує гірше звуків простих тонів Зокрема, дуже важко розчути високочастотний шум Метод цифрового перетворення, званийрозмиванням(Dithering), дозволяє перетворити помилки деяких типів в менш помітний високочастотний шум

Джерело: Кінтцель Т Керівництво програміста по роботі зі звуком = A Programmers Guide to Sound: Пер з англ М: ДМК Пресс, 2000 432 с, іл (Серія «Для програмістів»)

Схожі статті:


Сподобалася стаття? Ви можете залишити відгук або підписатися на RSS , щоб автоматично отримувати інформацію про нові статтях.

Коментарів поки що немає.

Ваш отзыв

Поділ на параграфи відбувається автоматично, адреса електронної пошти ніколи не буде опублікований, допустимий HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*

*