Глава 7. Компьютерная обработка аудиоинформации
§ 7.1. Программное обеспечение компьютерной обработки аудиоинформации
Любой человек, который учился (или учится) в школе, без особых размышлений ответит на этот вопрос так: «Звук — это волна». И будет совершенно прав. А вот при попытке объяснить, что же из себя представляет эта волна, большинство людей вспоминает хрестоматийный пример с веревкой или волнами на поверхности воды и после этого надолго задумываются. Так что же представляет из себя звук?
Любой предмет, совершающий возвратно-поступательные движения (камертон, струна рояля или гитары, наши голосовые связки и т.д.), вызывает в воздухе попеременное уменьшение или увеличение плотности. Движения одних молекул воздуха передаются другим молекулам, в результате чего в пространстве распространяются периодически повторяющиеся зоны увеличения и уменьшения плотности. Они-то и являют собой звуковую волну (рис.7.1). Если мы в каком-то месте поставим прибор, способный реагировать на изменение плотности воздуха, запишем его показания в течение некоторого времени и составим график зависимости плотности от времени, то получим кривую, близкую к синусоиде, знакомую нам по школьным учебникам физики (рис. 7.2). Именно такие колебания и улавливаются нашим ухом, в результате чего мы получаем ощущение звука.
Направление движения предмета
Рис.7.1. Возникновение звуковой волны при колебаниях предмета
Направление распространения радиоволн
Точка измерения
Амплитуда
волны
Время
Рис.7.2. Волнообразные изменения плотности воздуха и график,
иллюстрирующий этот процесс
Назначение, состав и возможности программного обеспечения «СаkеWalk», «Sound Forge» и «Cool Edit»
Прежде чем начать разговор о преобразовании колебаний звуковых волн в необходимо дать несколько определений касающихся природы и характеристик звука.
Количество колебаний воздуха в секунду называется — частотой звука. Волны с разной частотой воспринимаются нами как звук разной высоты: волны с малой частотой воспринимаются как низкие, басовые звуки, а волны с большой частотой — как высокие. Частота измеряется в Герцах (Гц): 1 Гц = 1 колебание в секунду; или килогерцах (кГц): 1кГц = 1000 Гц. Большинство людей о 18 до 25 лет реально способны слышать колебания воздуха с частотой от 2 до 20000 Герц (с возрастом верхняя граница восприятия уменьшается). Именно этот диапазон волн называется звуковым диапазоном.
Частота волны обратно пропорциональна длине волны - отрезку на оси распространения волны, в котором умещается полный цикл изменения плотности воздуха. Чем больше частота звука, тем меньше длина волны и наоборот. Длину волны очень легко вычислить по формуле λ=C/f, где С — скорость звука (340 м/с), a f — частота звуковых колебаний. Например, волна, имеющая частоту 100 Гц имеет длину λ = 340/100=3.4 м.
Амплитудой звуковой волны — называется половина разницы между самым высоким и самым низким значением плотности.
Поговорим более подробно о высоте звука. Наши уши устроены таким образом, что когда мы слышим два звука, частоты которых относятся как 2:1, то нам кажется, что эти звуки близки друг к другу и при одновременном воспроизведении они для нас как бы сливаются. Именно на этом эффекте основана музыкальная шкала высоты звуков, у которой одна и та же нота повторяется каждую октаву. То есть в натуральном звукоряде частоты одинаковых нот соседних октав соотносятся между собой как 2:1.
Звукорежиссерам часто приходится переводить значения частоты в ноты и обратно. Нам тоже понадобятся такие навыки, например, при работе с разными устройствами корректировки звука. Поэтому постарайтесь запомнить это соотношение — с помощью нехитрой математической операции теперь вы сможете вычислять частоту любой ноты, памятуя, что нота «Ля» первой октавы имеет частоту 440 Гц.
Но помимо высоты звука, мы способны достаточно точно определять положение звукового источника в пространстве. Это означает, что звуковые волны должны обладать свойством, на которое реагирует наш слуховой аппарат.
Все объясняется достаточно просто: наши уши отнесены на некоторое расстояние друг от друга. То есть, звук в каждое из них поступает не в одно и то же время, а в разное. По задержке попадания одной и той же звуковой волны на барабанные перепонки мы и определяем пространственное положение источника звука (на самом деле есть еще несколько факторов, помогающих определять направление на звуковой источник, но мы поговорим о них позднее).
Для описания относительных временных свойств двух звуковых волн (или разных частей одной волны) вводится понятие фазы звуковой волн, — то есть характеристики отражающей состояние колебательного процесса, в конкретный момент времени (рис. 7.3).
На первом графике показаны две волны, которые полностью совпадают друг с другом. В этом случае говорят, что волны находятся в фазе. На третьем графике в том месте, где у одной волны находится область высокой плотности, у другой — область низкой плотности. В этом случае говорят, что волны находятся в противофазе. При этом, если волны одинаковые, происходит их взаимное уничтожение (в природе это бывает крайне редко, чаще противофазные волны при наложении сильно искажают звук). Средний график показывает некое промежуточное положение. В этом случае говорят, что фаза одной волны сдвинута относительно другой.
Из всего вышесказанного становится понятно, что наш слух при определении пространственного положения источника звука реагирует именно на фазу волны. А по изменению фаз мы можем судить и о перемещении источника звука.
