Аналоговый и цифровой сигнал: что это такое

Виды сигналов

Сигнал – это изменение физической величины во времени и пространстве. По сути, это коды для обмена данными в информационных и управленческих средах. Графически любой сигнал можно представить в виде функции.

Определить тип и характеристики сигнала можно по линии на графике. Аналоговый вид будет представлять собой непрерывную кривую, цифровой — прерывистую прямоугольную линию, перескакивающую от нуля к единице.

Все, что мы видим своими глазами и слышим ушами, поступает в виде аналогового сигнала.

Аналоговый сигнал

Этот природный тип сигналов окружает нас повсюду и постоянно. Звук, образ, осязание, обоняние, вкус и команды мозга. Все сигналы, возникающие во Вселенной без участия человека, являются аналоговыми.

В электронике, электротехнике и системах связи аналоговая передача данных используется с момента изобретения электричества. Характерной особенностью является непрерывность и плавность изменения параметров. Графически сеанс аналоговой связи можно описать как непрерывную кривую, соответствующую величине электрического напряжения в данный момент. Линия меняется плавно, обрывы происходят только при обрыве связи. В природе и электронике аналоговые данные постоянно генерируются и распространяются. Отсутствие непрерывного сигнала означает тихий или черный экран.

В системах непрерывной связи аналогом звука, изображения и любых других данных являются электрические или электромагнитные импульсы. Например, громкость и тембр голоса передаются от микрофона к громкоговорителю посредством электрического сигнала. Громкость зависит от величины и тембра частоты напряжения. Поэтому в голосовой связи сначала напряжение становится аналогом звука, а затем звук становится аналогом напряжения. Точно так же передаются любые данные в аналоговых системах связи.

Свойства аналоговых сигналов

В отличие от других типов аналоговые сигналы не имеют четкого разграничения дискретных уровней. Поэтому для их описания нельзя применять понятие информации в том виде, в каком она трактуется в цифровых технологиях. «Количество информации», содержащейся в показаниях, ограничено только динамическим диапазоном измерительных приборов.

На практике аналоговые сигналы абсолютно беззащитны перед помехами. Те любые помехи, накладываемые на канал передачи информации, будут приниматься и воспроизводиться приемником без изменений. В цифровых технологиях ситуация в этом плане лучше. Цифровое оборудование умеет отфильтровывать «непрошеных гостей» и восстанавливать исходные данные.

Еще одним свойством аналоговых сигналов является избыточность. Они несут много избыточной информации. И, наконец, безопасность аналогового сигнала тоже не на высоте: он совершенно беззащитен перед несанкционированным проникновением извне.

Недостатки аналогового сигнала

Итак, аналоговый сигнал:

• непрерывный;
• избыточный;
• подвержен вмешательству;
• он не защищен от вторжения извне.

Подводя итог, можно считать аналоговый сигнал полностью устаревшим. Мы живем в век цифровых технологий и именно «цифра» волнует сегодня большинство потребителей.

Цифровой сигнал

После дискретного следующим шагом в аналоговом преобразовании был цифровой сигнал. Основная характеристика в том, что либо оно есть, либо его нет.

Вся информация преобразуется в сигналы, ограниченные по времени и величине. Сигналы цифровой технологии передачи данных кодируются нулем и единицей в разных вариантах.

А база — это бит, который принимает одно из этих значений. Бит английской двоичной цифры или двоичной цифры.

Но бит имеет ограниченную способность передавать информацию, поэтому они были объединены в блоки. Чем больше битов в блоке, тем больше информации он будет нести. В цифровых технологиях биты используются блоками, кратными 8. Блок из восьми битов называется байтом.

Байт — это небольшое количество, но в нем уже можно хранить зашифрованную информацию обо всех буквах алфавита. Однако добавление всего одного бита удваивает количество комбинаций нуля и единицы. И если 8 бит делают возможным 256 вариантов кодирования, то 16 — это уже 65536.

Килобайт или 1024 байта — это достаточно большое количество.

ВНИМАНИЕ! Нет никакой ошибки, что 1 КБ равен 1024 байтам. Это обычай в бинарной вычислительной среде. Но в мире широко используется десятичная система, где кило — это 1000. Поэтому существует и десятичная кБ, равная 1000 байт.

Много информации хранится в большом количестве объединенных байтов, чем больше комбинаций 1 и 0, тем больше она закодирована. Итак, в 5-10 МБ (5000-10000 КБ) у нас есть данные музыкальной дорожки хорошего качества. Идем дальше, а фильм уже закодирован на 1000 МБ.

Природа цифрового сигнала

Как ни странно, многие свойства цифрового сигнала зависят от его природы, аналоговой по своим физическим параметрам. Именно поэтому сигнал под воздействием шума и других параметров линий, по которым он передается, подвержен влиянию поляризационных, частотных, амплитудных и фазовых флуктуаций.

Однако наделение сигнала «цифровыми» свойствами позволяет использовать компьютерную обработку и получать передаваемую информацию с очень высокой точностью. Такая полная регенерация сигнала возможна до определенного отношения шум/сигнал.

Это позволяет значительно усилить сигнал без искажений, в отличие от аналогового сигнала, который усиливается вместе с шумом.

Недостатки цифрового сигнала

В отличие от аналогового сигнала, цифровой сигнал трудно передать без искажений на большие расстояния. Этот недостаток можно исправить путем модуляции сигнала передатчиком и демодуляции приемником. Для проверки отсутствия искажений в передаваемой информации используются цифровые алгоритмы, повышающие надежность получения данных.

Еще одним недостатком цифрового сигнала является наличие порога отношения сигнал/шум. Если зашумленный аналоговый сигнал можно частично восстановить, то с цифровым это невозможно. Наиболее ярким примером, демонстрирующим такой недостаток, является сотовая связь.

В аналоговых системах даже при значительных помехах вы все равно слышите своего абонента, а в цифровой связи это имеет эффект пропуска слов и фраз.

Избавиться от этого недостатка можно с помощью более частой регенерации сигнала, именно по этой причине операторы цифровой сотовой связи стараются максимально приблизить станции передачи друг к другу.

Чем отличается непрерывный сигнал от дискретного

На первый взгляд различия в сигналах неразличимы. Оба передаются в виде электрических импульсов по проводам или электромагнитных волн в эфире. Преобразование в звук и изображение, отображаемое на динамиках и экране. Но разница существенная. Отличие аналогового сигнала от цифрового обусловлено особенностями обработки и передачи данных.

Аналоговые данные не скремблируются и не шифруются, они просто преобразуются в электрические или электромагнитные импульсы. Приемник преобразует импульсы в соответствии с принятым сигналом. Передаваемый и принимаемый импульс многогранен и характеризуется постоянным плавным изменением во времени. Величина и частота определяют параметры информации. Примером может служить соответствие определенного цвета экрана заданному напряжению. Со временем цвета плавно меняются вслед за изменением напряжения.

Казалось бы, естественное происхождение, простота генерации, передачи и приема благоприятствуют использованию аналогового сигнала. Но вмешиваются электрические и электромагнитные помехи. Это могут быть электромагнитные помехи от электрических сетей, работающих механизмов, рельефа местности, грозы, бури на солнце, шумы, создаваемые работой передающей и приемной аппаратуры, и другие. Они меняют плавную кривую. Информация доходит до получателя с изменениями. Шипение, потрескивание и искажение изображения — обычное дело для аналоговой связи.

Цифровая технология использует совершенно другой принцип передачи. Аналоговые данные сначала кодируются, а затем передаются. Кодирование состоит в описании непрерывной кривой аналоговой информации. В любой конкретный момент времени передаваемый импульс имеет значение единицы или нуля, а определенная последовательность битов представляет собой полноту исходного изображения или звука.

Дискретный сигнал вроде азбуки Морзе, только вместо точек и тире четкие биты. Ничто другое, шумы и помехи им не мешают. Цифровая информация – это главное для достижения цели. Цифры без примесей будут передавать данные и преобразовываться в звук и цвет без изменений. Но слабый сигнал может не передавать полноценное изображение. Например, полное исчезновение слов или изображений. Поэтому сотовые передатчики, установленные как можно ближе друг к другу, также используют повторители.

Примером непрерывных и дискретных сигналов являются старая кабельная связь и новая сотовая связь. Иногда было невозможно поговорить с соседним домом через старые АТС. Шум и плохое усиление сигнала мешали услышать друг друга. Чтобы провести полноценный разговор, приходилось громко кричать и слушать собеседника. Другое дело сотовая связь на базе цифровых технологий. Звук кодируется и хорошо передается на большие расстояния. Собеседника хорошо слышно даже с другого континента.

Оба типа связи не лишены недостатков, и основные отличия заключаются в следующем:

1. Аналоговый сигнал подвержен помехам и сопровождается искажениями. В то время как цифровой идет полностью без искажений или отсутствует вовсе.
2. Любой приемник этого принципа может принимать или перехватывать аналоговые передачи. Скрытая передача адресована конкретному получателю, зашифрована и имеет мало возможностей для перехвата.
3. Объем данных, передаваемых в аналоговой связи, конечен, поэтому он практически исчерпан при передаче телесного сигнала. Наоборот, с развитием технологий преобразования аналоговой информации в цифровой код объем и качество передачи растут. Например, основное отличие цифрового телевидения от аналогового — более высокое качество изображения.

Цифровые технологии выигрывают по всем статьям. Споры идут только между меломанами. Многие любители музыки и звукорежиссеры утверждают, что могут отличить аналоговый оригинал от цифровой копии. Однако большинству слушателей это не под силу. А с развитием цифровых систем аналоговые данные кодируются точнее. Оригинальный звук и цифровая копия почти неотличимы.

Взаимное преобразование сигналов

Еще одним определением аналогового сигнала является его кажущаяся случайность, отсутствие видимых правил или сходство с каким-либо естественным процессом. Например, синусоидой можно описать вращение Земли вокруг Солнца, это аналоговый сигнал. В теории цепей и сигналов синусоида представлена ​​вращающимся вектором амплитуды. И фаза тока и напряжения разная — это два разных вектора, порождающих реактивные процессы. Что наблюдается в катушках индуктивности и конденсаторах.

Из определения следует, что аналоговый сигнал легко преобразуется в дискретный. Любой импульсный блок питания режет входное напряжение розетки пакетами. Поэтому он предназначен для преобразования аналогового сигнала частотой 50 Гц в дискретные ультразвуковые импульсы. Изменяя параметры резки, источник питания регулирует выходные значения в соответствии с требованиями электрической нагрузки.

Внутри радиоприемника с амплитудным детектором происходит обратный процесс. После выпрямления сигнала на диодах формируются импульсы различной амплитуды. Информация встроена в оболочку упомянутого сигнала, линию, которая соединяет пики сообщения. Фильтр предназначен для преобразования дискретных импульсов в аналоговое значение. Принцип основан на интегрировании энергии: при наличии напряжения увеличивается заряд конденсатора, затем в промежутке между пиками формируется ток за счет ранее накопленного запаса электронов. Полученная волна подается на усилитель низкой частоты, затем на динамики, где результат слышат окружающие.

Цифровой сигнал кодируется по-разному. Там ширина импульса встроена в машинное слово. Он состоит из единиц и нулей, требуется расшифровка. Работа осуществляется электронными устройствами: графическим адаптером, программными продуктами. Все скачали кодеки K-Lite из интернета, дело в этом. Контроллер предназначен для декодирования цифрового сигнала и его преобразования для отправки на динамики и экран.

Не нужно путаться, когда адаптер называется 3D-акселератором и наоборот. Первый только преобразует данный сигнал. Например, за цифровым входом DVI всегда есть переходник. Он имеет дело только с преобразованием чисел из единиц в нули для отображения на матрице дисплея. Получает информацию о яркости и значениях пикселей RGB. Что касается 3D-ускорителя, то устройство может (но не обязательно) содержать адаптер, но основная задача — сложные вычисления для построения трехмерных изображений. Этот прием позволяет разгрузить центральный процессор и ускорить работу персонального компьютера.

Аналого-цифровой сигнал преобразуется в АЦП. Это происходит программно или внутри микросхемы. Некоторые системы сочетают оба метода. Процедура начинается со снятия показаний, которые укладываются в указанную область. Каждое из них при преобразовании становится машинным словом, содержащим вычисляемую цифру. Затем показания упаковываются в пакеты, возможна отправка комплексной системы другим абонентам.

Правила дискретизации нормированы теоремой Котельникова, которая показывает максимальную частоту дискретизации. Чаще снятие показаний запрещено, так как теряется информация. Упрощенно считается достаточным шестикратное превышение частоты дискретизации над верхней границей спектра сигнала. Большой запас считается дополнительным преимуществом для обеспечения хорошего качества. Кто-нибудь видел показания частоты дискретизации аудиозаписей. Обычно настройка выше 44 кГц. Причина в особенностях человеческого слуха – верхняя граница спектра 10 кГц. Поэтому частоты дискретизации 44 кГц вполне достаточно для посредственной передачи звука.

Аналоговый сигнал против цифрового сигнала

Аналоговые сигналы — это сигналы, которые являются непрерывными и продолжают изменяться во времени. С другой стороны, цифровые сигналы представляют собой типы дискретных сигналов с дискретными значениями.

Аналоговые сигналы имеют бесконечные возможности, то есть неограниченные значения. Следовательно, его диапазон не может быть установлен. По сути, мы дышим аналоговым миром. Существует бесконечное множество тонов, запахов и т д., которые можно услышать и обонять. С другой стороны, цифровые сигналы дискретны или имеют конечное число возможностей, то есть имеют ограниченное число значений. Итак, он идет от 0 до 1.

Аналоговые сигналы представлены в виде непрерывных синусоид. С другой стороны, цифровые сигналы представлены в виде прямоугольных волн. Аналоговый сигнал объясняет действия волны на основе ее периода времени, амплитуды и фазы сигнала. С другой стороны, цифровой сигнал описывает характеристики сигнала в соответствии со скоростью передачи битов и битовым интервалом.

Аналоговые сигналы отображают информацию в виде волны. С другой стороны, цифровые сигналы отображают информацию в двоичной форме, то есть в битах. В случае шума аналоговые сигналы искажаются и становятся горизонтальными. Напротив, цифровые сигналы устойчивы к шуму и не подвержены искажениям.

Аппаратное обеспечение аналогового сигнала не является гибким, в то время как аппаратное обеспечение цифрового сигнала является гибким во время реализации. Аналоговые сигналы используются в аналоговых устройствах и лучше всего подходят для передачи видео и аудио. С другой стороны, цифровые сигналы используются в цифровой электронике и лучше всего подходят для вычислений. Аналоговые телефоны, человеческий голос и т д являются примерами аналоговых сигналов, а цифровые телефоны и компьютеры — примерами цифровых сигналов.

Ключевые отличия

1. Тип сигналов, которые носят непрерывный характер и продолжают изменяться во времени, известен как аналоговый сигнал, а тип сигналов с дискретными значениями и двоичными данными известен как цифровой сигнал.
2. Аналоговый сигнал имеет непрерывное представление формы волны. С другой стороны, цифровой сигнал имеет прерывистое представление сигналов.
3. Аналоговые сигналы трудно анализировать. Напротив, цифровые сигналы легко анализировать.
4. Аналоговые сигналы являются более точным типом сигнала. С другой стороны, цифровые сигналы менее точны.
5. Для хранения аналоговых сигналов требуется время. С другой стороны, цифровые знаки легко хранить.
6. Для аналоговых сигналов существует бесконечное количество возможных значений. Напротив, существует конечное число возможностей для цифровых сигналов.
7. Аналоговые сигналы имеют неограниченные значения, поэтому их диапазон не может быть установлен. С другой стороны, цифровые сигналы идут от 0 до 1.
8. Аналоговый сигнал делится на два типа: простые сигналы и составные сигналы, в то время как другого типа цифрового сигнала не существует.
9. Аналоговые сигналы представлены в виде непрерывных синусоид, а цифровые сигналы представлены в виде прямоугольных волн.
10. Аналоговые сигналы отображают информацию в виде волны. С другой стороны, цифровые сигналы отображают информацию в двоичной форме, то есть в битах.
11. Аналоговый сигнал объясняет действия волны на основе ее периода времени, амплитуды и фазы сигнала. С другой стороны, цифровой сигнал описывает характеристики сигнала в соответствии со скоростью передачи битов и битовым интервалом.
12. В аналоговом оборудовании нет гибкости. С другой стороны, цифровые команды проявляют гибкость во время внедрения.
13. В случае шума аналоговые сигналы искажаются и становятся горизонтальными, в то время как цифровые сигналы устойчивы к шуму и не искажаются.
14. Аналоговые сигналы имеют низкий импеданс. Напротив, цифровые сигналы имеют импеданс высокого порядка, то есть до 100 МОм.
15. Аналоговые устройства дешевы и портативны. С другой стороны, цифровые устройства дороги и неудобны в транспортировке.
16. Аналоговые сигналы вызывают шум. С другой стороны, цифровые сигналы не вызывают шума.
17. Аналоговая обработка сигналов может выполняться в режиме реального времени и требует меньшей полосы пропускания. С другой стороны, цифровая обработка сигналов не гарантируется в режиме реального времени, и для обработки одной и той же информации требуется большая полоса пропускания.
18. Аналоговые приборы имеют шкалу, фиксированную на нижнем пределе, что приводит к большому количеству ошибок наблюдения. С другой стороны, цифровые устройства не сталкиваются с ошибками наблюдения, такими как ошибки аппроксимации, параллакс и т д
19. Аналоговые сигналы используются в аналоговых устройствах и больше подходят для видео и аудио, тогда как цифровые сигналы используются в цифровой электронике и больше подходят для вычислений.
20. Примерами аналоговых сигналов являются аналоговые телефоны, термометры, человеческий голос и т д. С другой стороны, цифровые телефоны, цифровые ручки, компьютеры и т д являются примерами цифровых сигналов.

Заключение

Приведенное выше обсуждение резюмирует, что аналоговые сигналы представляют собой непрерывный тип сигналов, которые изменяются во времени и имеют форму синусоидальных волн. С другой стороны, цифровые сигналы представляют собой дискретные типы сигналов, которые имеют форму синусоидальных волн.

Что такое звук

Особо важное место среди всех видов упругих волн занимают звуковые волны (звуки). Мир звуков, который нас окружает, разнообразен и сложен, но мы достаточно легко ориентируемся в нем и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

В качестве примера источника звука рассмотрим барабан (рис. 25).

Мембрана барабана создает в прилегающей к ней воздушной области чередующееся сжатие и разрежение, при этом образуется продольная волна, распространяющаяся в воздухе. Графически это можно представить как зависимость плотности молекул воздуха от координаты (рис. 26).

Таким образом, при распространении звуковой волны такие характеристики среды, как плотность и давление, изменяются во времени.

Для распространения звуковых волн необходимы среды с упругими свойствами.

Если под раструб воздушного насоса поставить источник звука (колокол) и постепенно откачивать воздух, то звук становится все слабее и слабее, а затем исчезает. Поэтому звуковые волны не распространяются в пространстве без воздуха.

Если окружить вытяжку слоем пористого материала (поролон, хлопок, войлок и т.п.), звуковые волны быстро затухают. Поэтому эти материалы широко используются для шумоизоляции.

Упругие волны, вызывающие слуховые ощущения у человека, называются звуковыми волнами или просто звуком. Человеческое ухо воспринимает звук в диапазоне частот от 16 до 20 000 Гц.

Раздел физики, изучающий звуковые явления, называется акустикой.
Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом. (Рисунок 27):

• инфразвук
• слышимый звук человека
• уЗИ
• гиперзвук

Многие животные могут воспринимать ультразвук. Например, собаки слышат звуки частотой до 50 000 Гц, а летучие мыши — до 100 000 Гц. Инфразвук, распространяющийся в воде на сотни километров, помогает китам и многим другим морским животным ориентироваться в шлейфе воды.
Основными физическими характеристиками звука являются интенсивность и спектральный состав (спектр).

Для характеристики энергии, переносимой волнами, используется понятие интенсивности волны
определяется как энергия
переносится волной в единицу времени
по поверхности
расположенных перпендикулярно направлению распространения волны:

Другими словами, интенсивность — это сила
переносимые волнами по поверхности единичной площади, перпендикулярной направлению распространения волны.

Единицей интенсивности в системе СИ является 1 ватт на квадратный метр

Уровень интенсивности звука
обычно определяется с помощью шкалы, единицей измерения которой является 1 бел
или его дольная часть составляет 1 децибел (дБ) (одна десятая часть бела). Уровень интенсивности самого слабого звука, воспринимаемого нашим ухом, соответствует 1 бела (1 Б). Единица названа в честь изобретателя телефона Александра Белла.

Например, поезд метро создает уровень интенсивности звука 100 дБ, мощные усилители — 120 дБ, а реактивный самолет — 150 дБ. Тем, кто во время работы подвергается воздействию шума выше 100 дБ, следует пользоваться наушниками.

Интенсивность звука, улавливаемого человеческим ухом, находится в очень широком диапазоне: от
(порог слышимости) до
(болевой порог) (рис. 28) миллиметр

Минимальная интенсивность, при которой человеческое ухо перестает воспринимать звук, называется порогом слышимости. Кривая порога слышимости для всего звукового диапазона показана на рисунке 28 (в логарифмическом формате

масштаб). Наше ухо наиболее чувствительно к волнам с частотой около 3 кГц, так как интенсивности порядка
достаточно, чтобы ухо воспринимало звук. А чтобы услышать звук на частоте 50 Гц, его интенсивность должна быть примерно в 100 000 раз больше, то есть порядка

При значительной интенсивности вибраций ухо перестает воспринимать вибрации как звук, испытывая при этом боль. Эта интенсивность, выше которой ощущается боль, называется болевым порогом. Болевой порог соответствует интенсивности, равной примерно

Реактивный самолет может издавать звук интенсивностью порядка
(мощные усилители на концерте в помещении — до
метр —

В технике предпочитают измерять изменение силы звука не изменением энергии волны (на схеме справа), а в других единицах — децибелах (на схеме слева).

Таким образом, для возникновения звуковых ощущений необходимо: наличие источника звука;

наличие упругой среды между источником звука и ухом; частота колебаний источника звука должна быть в пределах от 16 до 20 000 Гц; мощность звуковых волн должна быть достаточной, чтобы вызвать ощущение звука.

Спектр – это набор звуков разной частоты, образующих определенный звуковой сигнал. Спектр может быть непрерывным или дискретным.

Непрерывный спектр означает, что этот набор содержит волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон.

Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определенными частотами и амплитудами, формирующих рассматриваемый сигнал. В зависимости от вида спектра звуки делятся на шумы и музыкальные тона.

Шум — совокупность различных кратковременных звуков (треск, шорох, шорох, стук и др.), представляет собой суперпозицию большого числа колебаний с близкими амплитудами, но разными частотами (имеет непрерывный спектр).

Музыкальный тон создается периодическими колебаниями звукового тела (диапазона, струны) и представляет собой гармоническое колебание частоты. На основе музыкальных тонов создана музыкальная азбука — ноты (до, ре, ми, фа, соль, ля, си), которые позволяют играть одну и ту же мелодию на различных музыкальных инструментах. Частотный интервал музыкальных звуков, в пределах которого звуки различаются по частоте в 2 раза, называется октавой.

Музыкальное звучание (консонанс) – результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов, из которых можно выделить основной тон, соответствующий самой низкой частоте. Основной тон также называют первой гармоникой. Все остальные тона называются обертонами. Обертоны называются гармониками, если частоты обертонов кратны частоте основной гармоники. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр.

Физическим характеристикам звука соответствуют определенные (субъективные) характеристики, связанные с восприятием его конкретным человеком. Это связано с тем, что восприятие звука является не только физическим процессом, но и физиологическим. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания определенных частот и интенсивностей (это объективные и независимые звуковые характеристики человека) по-разному, в зависимости от «характеристик приемника» (здесь влияют субъективные индивидуальные особенности каждого человека).

Основными физиологическими характеристиками звука являются интенсивность, высота и тембр.

Громкость (степень слышимости звука) определяется как интенсивностью звука (амплитудой колебаний звуковой волны), так и разной чувствительностью человеческого уха к разным частотам. Человеческое ухо наиболее чувствительно в диапазоне частот от 1000 до 5000 Гц.

С возрастом наш порог слышимости увеличивается. Следует отметить, что болевой порог зависит от частоты не так существенно, как порог слышимости.

При увеличении интенсивности в 10 раз уровень громкости увеличивается на 20 дБ. В результате звук в 50 дБ в 100 раз громче звука в 30 дБ.

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, имеющих наибольшую интенсивность в спектре.

Тембр (высота звука) зависит от того, сколько обертонов присоединено к основному тону и какова их интенсивность и частота. По тембру мы легко различаем звуки скрипки и фортепиано, флейты и гитары, голоса людей (табл. 2) и т д

Модуль скорости звука зависит от упругих свойств, плотности и температуры среды. Чем больше силы упругости, тем быстрее колебания частиц передаются соседним частицам и тем быстрее распространяется волна. Поэтому модуль скорости звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твердых телах (табл. 3).

Модуль скорости звука в идеальных газах пропорционально увеличивается с повышением температуры
где
это абсолютная температура скорость звукового модуля в воздухе
— при температуре
— при температуре
В жидкостях и металлах модуль скорости звука, как правило, уменьшается с повышением температуры (исключение — вода).

Модуль скорости звука в воздухе впервые определил в 1640 году французский физик Марин Мерсенн. Он измерил временной интервал между появлением вспышки и звуком при выстреле из ружья. Мерсенн определил, что модуль скорости звука в воздухе равен

Метод ориентирования или изучения окружающих предметов, основанный на излучении ультразвуковых импульсов с последующим восприятием отраженных импульсов (эхо) от различных предметов, называется эхолокацией, а соответствующие приборы — эхолокаторами.

Эхолокацией пользуются различные китообразные (дельфины), а также летучие мыши, птицы гуахаро, гнездящиеся в глубоких пещерах Венесуэлы и на острове Тринидад, стрижи-салаганы, обитающие в пещерах Юго-Восточной Азии. Волны ультразвуковой частоты широко используются в медицине в диагностических целях. Ультразвуковые сканеры позволяют исследовать внутренние органы человека.

Пример №4

Стальные детали проверяются ультразвуковым дефектоскопом. Определить толщину
детали и глубина
местонахождение дефекта, если после излучения ультразвукового сигнала принимаются два отраженных сигнала через промежутки времени
Ультразвуковой модуль скорости

Игральная кость:

Решение

Поскольку сигнал проходит деталь с одной стороны на другую, толщина детали определяется по формуле:

Таким же образом определяется глубина, на которой обнаружен дефект:

Отвечать:

Результаты:

Периодическим называется движение, при котором физические величины, характеризующие колебательную систему, через равные промежутки времени принимают одни и те же значения.

Колебательное движение – это движение (процесс), при котором любая физическая величина, характеризующая это движение (процесс), попеременно изменяется в ту или иную сторону от своего значения в устойчивом положении равновесия.

Периодическим колебательным движением (колебаниями) называется любой процесс, обладающий свойством повторяемости во времени. Колебания любой физической природы, описываемые уравнением

они являются гармониками, а система, совершающая такие колебания, представляет собой гармоническую колебательную систему, или гармонический осциллятор.

Колебания, при которых зависимость координаты (перемещения) тела от времени определяется соотношениями

или

их называют гармониками.

Координата против времени
называется кинематическим законом гармонических колебаний (законом движения).

Колебания материальной точки называются гармоническими, если они происходят под действием возвращающей силы, величина которой прямо пропорциональна смещению точки от положения равновесия
направлена ​​к положению равновесия колеблющегося тела.

Амплитуда колебаний
— максимальное водоизмещение
тела или системы тел из положения равновесия.

Фаза качания
определяет состояние колебательной системы (координаты, скорость, ускорение) в любой момент времени при заданной амплитуде. В начале времен
равна начальной фазе
Единицей измерения фазы является 1 радиан (1 рад).

Циклическая частота
— количество полных колебаний за промежуток времени
секунды:

Период колебаний
— время полного колебания:

Частота колебаний
— количество полных колебаний в единицу времени:

Колебательная система, состоящая из тела с прикрепленной к нему пружиной, называется пружинным маятником. Его период колебаний:

Колебательная система, состоящая из небольшого тела, подвешенного на легкой и нерастяжимой нити, называется математическим маятником.

Период малых колебаний математического маятника определяется по формуле Гюйгенса:

Собственные (свободные) колебания – это колебания, возникающие при отсутствии внешних воздействий на систему. Они происходят со строго определенной частотой, называемой собственной частотой системы.

Их называют затухающими колебаниями, энергия которых со временем уменьшается.

Вынужденными колебаниями называют колебания системы, вызванные действием на нее периодических внешних сил.

Резонанс — явление резкого увеличения амплитуды вынужденных колебаний, когда частота периодической внешней силы совпадает с собственной частотой колебаний системы.

Механическая волна — это процесс распространения колебаний в упругой среде, сопровождающийся передачей энергии от одной точки среды к другой.

Длина волны: расстояние, пройденное волной в среде за период времени, равный периоду колебаний частиц:

Скорость распространения волны – это скорость распространения гребня волны или любой другой точки волны с заданной фазой, величина которой

Волна называется продольной, если колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волны.

Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Упругие волны, вызывающие слуховые ощущения у человека, называются звуковыми волнами или просто звуком.

Основными физическими характеристиками звука являются интенсивность и спектральный состав (спектр).

Физические параметры звука

• Интенсивность звука (звуковая сила) — скалярная физическая величина, характеризующая мощность, переносимую звуковой волной в направлении распространения.

Скорость вибрации измеряется в м/с или см/с. В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии за счет частичного расхода их на работу против сил трения и излучения в окружающем пространстве. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент (D) и добротность (Q).

Коэффициент демпфирования отражает скорость, с которой амплитуда затухает со временем. Если мы обозначим время, за которое амплитуда уменьшается в e = 2,718 раза, через τ { displaystyle tau }
, тогда:

S = 1τ{ Displaystyle S = { гидроразрыва {1} { тау }}}
.

Снижение амплитуды в цикле характеризуется логарифмическим уменьшением. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний к времени затухания τ { displaystyle tau }
:

D = Tτ { Displaystyle D = { гидроразрыва {T} { тау }}}

Если на колебательную систему с потерями действует периодическая сила, то возникают вынужденные колебания, характер которых в какой-то мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда вибрационной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой незатухающих собственных колебаний механической системы.

При частотах воздействия намного ниже резонансной внешняя гармоническая сила почти полностью уравновешивается силой упругости. На частотах возбуждения, близких к резонансным, основную роль играют силы трения. Пока частота внешнего воздействия намного выше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается как отношение плотности звука к объемной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается по зависимости между амплитудой звукового давления в среде и амплитудой колебательной скорости ее частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем больше степень сжатия и разрежения среды при заданной амплитуде колебаний частиц среды. Численно удельное акустическое сопротивление среды (Z) находится как произведение плотности среды (ρ { displaystyle rho }
) от скорости (с) распространения в ней звуковых волн.

Z = ρc { Displaystyle Z = ро с}

Удельный акустический импеданс измеряется в паскалях-секундах на метр (Па·с/м) или дин·с/см³ (СГС); 1 Па с/м = 10−1 дин • с/см³.

Удельный акустический импеданс среды часто выражается в г/с см², где 1 г/с см² = 1 дин·с/см³. Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, преломлением и отражением ультразвуковых волн.

Звуковое или акустическое давление в среде есть разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статическим давлением в той же точке при их отсутствии. Другими словами, звуковое давление — это переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано по амплитуде колебаний частиц:

P = 2πfρcA { displaystyle P = 2 pi f rho cA}

где Р — максимальное звуковое давление (амплитуда давления);

• f – частота;
• с — скорость распространения ультразвука;
• ρ { стиль отображения ро }
  – плотность среды;
• А — амплитуда колебаний частиц среды.

На расстоянии половины длины волны (λ/2) значение звукового давления меняется с положительного на отрицательное. Разность давлений в двух точках с их максимальным и минимальным значениями (отстоящими друг от друга на λ/2 по направлению распространения волны) равна 2Р.

Паскаль (Па) используется для выражения звукового давления в единицах СИ, равного давлению в один ньютон на квадратный метр (Н/м²). Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин/см²; 1 дин/см² = 10–1 Па = 10–1 Н/м². Наряду с указанными единицами часто используются единицы давления вне системы: атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98⋅106 дин/см² = 0,98⋅105 Н/м². Иногда используется единица, называемая баром или микробаром (акустический бар); 1 бар = 106 дин/см².

Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растет за период от нуля до максимума (амплитудного значения ускорения). Также в течение периода ускорение меняет знак.

Максимальные значения ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, не совпадают во времени для данной частицы. В момент, когда разность ускорений достигает своего максимума, разность давлений становится равной нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением:

а = ω2A = (2πf) 2A { displaystyle a = omega 2} A = (2 pi f) ^ {2} A}

Если бегущие ультразвуковые волны сталкиваются с препятствием, вы испытываете не только переменное, но и постоянное давление. Области сгущения и разрежения среды, возникающие при прохождении ультразвуковых волн, создают дополнительные изменения давления в среде по отношению к окружающему внешнему давлению. Это дополнительное внешнее давление называется радиационным давлением (радиационным давлением). Именно поэтому при прохождении ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтаны жидкости и отрываются от поверхности отдельные капли. Этот механизм нашел применение при образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используют для измерения мощности ультразвуковых колебаний на специальных измерителях — ультразвуковых весах.

Скорость распространения звука

Звуковые волны, как и все другие волны, распространяются с определенной скоростью.

Наблюдение 1. Все заметили, что на поверхности воды в озере, от места падения камня, волны с определенной скоростью расходятся в виде колец горбов и впадин, а через некоторое время достигают берега и беги в нем. Что такое волна?

Удар камня возбуждает колебания частиц воды, они передаются соседним участкам жидкости, которые, в свою очередь, начинают колебаться и передают еще больше колебаний.

Механическая волна – это распространение колебаний в упругой среде.

За время, равное периоду колебаний Т, горб волны, движущейся со скоростью
, пройдет по пути, который обозначается греческой буквой
и называется длиной волны, т
Длина волны — это расстояние, на которое распространяется данное состояние колебаний (горб, впадина) за время, равное периоду колебаний.

В воде длину волны измерить нетрудно: она равна расстоянию между соседними горбами или соседними впадинами (рис. 38, а). Определить скорость распространения волны
, вам нужна длина волны
разделить на период колебаний T (или умножить на частоту
насколько
) :

Наблюдение 2. Вы, наверное, замечали, что молния предшествует грому. Если гроза далеко, задержка грома может достигать десятков секунд. Эта задержка связана со временем, которое требуется звуковой волне для достижения уха от молнии.

Звуковая волна — это распространение чередующихся в пространстве слоев сгущенного и разреженного воздуха, вызванных колебаниями источника, например ножки камертона. На рис. 38, б видно, что длина волны
в этом случае оно равно расстоянию между соседними участками конденсации или разрежения воздуха. Как и в случае с волнами в воде, скорость звуковой волны можно определить по формуле:

где
– скорость распространения звуковой волны в среде;
длина волны; Т — период колебаний;
— частота колебаний.

Скорость звука зависит от среды, в которой он распространяется. С помощью опытов Д. Ф. Араго, Прони и Ж. Гей-Люссака в 1822 г они установили, что в воздухе при температуре 10 0С скорость распространения звуковых волн равна 337,2
. Зная скорость распространения звука, можно по приведенным выше формулам определить длины волн в воздухе, соответствующие пределам слышимости человеческого уха:

• за
  = длина волны 20 Гц
  = 17 метров;
• за
  = длина волны 20 000 Гц
  = 1,7см.

В воде звук распространяется быстрее, чем в воздухе. Впервые он был измерен в 1827 году на Женевском озере в Швейцарии. В лодке зажигали порох и одновременно звонили в подводный колокол (рис. 39). Второй корабль находился на расстоянии 14 км от первого. Звук был записан с помощью динамика, погруженного в воду. Скорость распространения звука определяли по временному интервалу между вспышкой света и приходом звукового сигнала. При температуре 8°С скорость распространения звука в воде равна 1435
.

В твердых телах скорость распространения звука даже выше, чем в жидкостях. В таблице 2 приведены значения скорости распространения звуковых волн в различных средах.

В табл. 2 приведены скорости распространения звука в различных средах при заданной температуре, так как скорость распространения звука в среде зависит от ее температуры. Например, скорость звука в жидкостях (кроме воды) уменьшается с повышением температуры, а в газах скорость звука при постоянном давлении увеличивается с повышением температуры.

Современная техника позволяет с большой точностью измерять скорость распространения звука (рис. 40).

Скорость распространения звука в среде зависит от ее температуры.

Опыт. Поместим источник звука под крышку воздушного насоса (рис. 41) и начнем нагнетать воздух. По мере уменьшения количества воздуха под капотом звук становится слабее, а затем и вовсе пропадает.

Такой опыт впервые был поставлен в 1660 году Робертом Бойлем, показав, что в пространстве без воздуха, которое называется вакуумом, звук вообще не распространяется. Таким образом, он продемонстрировал необходимость среды для существования звуковых волн. Есть материалы, плохо проводящие звук, потому что колебания в них быстро затухают. Например, пористые панели, полистирол используются для звукоизоляции, то есть для защиты помещений от проникновения в них посторонних звуков. Если звуковая волна распространяется в определенной среде (например, в воде), то она в конечном итоге достигнет своего предела, примыкающего к другой среде (например, воздуху).

Эта вторая среда состоит из других частиц и отличается по структуре, поэтому скорость распространения звука в ней другая. На границе двух разных сред звуковая волна отражается подобно отражению света на границе воздуха и зеркала.

Почему звуковая волна отражается? Это происходит потому, что колебания звуковой волны передаются частицам другой среды. Эти частицы становятся источниками новой (вторичной) звуковой волны. Вторичная волна распространяется не только во второй среде, но и в первой, откуда пришла первичная волна. Это отраженная волна.

Отражение звука связано с хорошо известным явлением: эхом. Он заключается в том, что звук от источника достигает некоторого препятствия (а препятствием является вторая среда, отличная от воздуха: стена дома, опушка леса и т д.), отражается его поверхностью и возвращается туда, где возникли звуковые колебания.

Если первичный звук и отраженный звук не достигают слушателя одновременно, слушатель слышит звук дважды. Бывают случаи многократных отражений звука, тогда его можно услышать многократно (например, гром).

Явление отражения звуковых волн от препятствий используется для определения расстояний до различных объектов и их местонахождения. Предположим, что в определенный момент источник звука создает звуковые колебания. Звук распространяется и, встречая препятствие, отражается от него. Если приемник также находится близко к источнику звука, через определенный промежуток времени он может записывать отраженный звук. Измерив этот интервал времени и зная скорость распространения звука в данной среде, определяют расстояние до препятствия с учетом того, что звук проходит необходимое расстояние дважды (до препятствия и обратно) по формуле:

где
— расстояние до препятствия;
– скорость распространения звука в среде;
— интервал времени, в течение которого звук достигал препятствия от источника и возвращался к звукоприемнику.

Громкость

Интенсивность звука определяется амплитудой колебаний тела, производящего звук. Чем выше амплитуда звуковых колебаний, тем громче появляется звук, но громкость звуков разных частот будет разной. Человеческое ухо плохо воспринимает звуки низких частот (около 20 Гц) и высоких частот (около 20 кГц), а звуки средних частот (от 300 Гц до 3000 Гц) значительно лучше. Поэтому даже достаточно сильные вибрации с низкой частотой или, наоборот, с очень высокой частотой будут казаться нам спокойными, а более слабые вибрации со средней частотой — сильными. Это связано со строением органов слуха человека.

Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Громкость 120 дБ называется болевым порогом, при достижении этого уровня возникает боль. А при длительном воздействии такого звука наступает непоправимая потеря слуха. А уровень громкости в 180 дБ для человека смертелен!

Поэтому советуем не слушать звуки на большой громкости. Если это связано с условиями труда (работа на станках, в мастерских и т д.), обязательно использование специальных защитных наушников. Не увеличивайте громкость в наушниках во время прослушивания музыки. Берегите свое здоровье и здоровье окружающих.

Таблица различных источников звука и уровня громкости в дБ:

Объем, дБ	Характеристика	Источники звука
0	Я ничего не слышу	Космос, за пределами атмосферы Земли
5	Почти не слышно	Легкий ветерок
10	Почти не слышно	Тихий шелест листьев
20	Едва слышно	Человеческий шепот (на расстоянии 1 метра)
30	Тихий	Шепот, тиканье настенных часов
35	Вполне слышно	Приглушенный разговор
40	Вполне слышно	Обычная речь
50	Ясно слышно	Разговор, машинка
60	Шумный	Стандарт для общественных мест
70	Шумный	Говорите вслух (1м)
80	Очень шумный	Кричи, мотоцикл с глушителем.
90	Очень шумный	Громкий крик, вагон товарного поезда (7 метров)
100	Очень громко	Оркестр, вагон метро, ​​гром
105	Очень громко	На самолете
110	Очень громко	Вертолет, пескоструй (1м)
120	Почти невыносимо	Отбойный молоток (1м)
130	Болевой порог	Самолет в начале
140	Контузия	Звук взлетающего реактивного самолета
150	Синяк, рана	Запуск ракеты
160	Шок, разрыв барабанных перепонок и легких	Ударная волна от сверхзвукового самолета
более 180 дБ	Смертельный уровень!	Звуковое оружие

Цифровой звук

В отличие от аналогового сигнала цифровой сигнал не имитирует акустический звук. Цифровой звук присваивает цифровые значения отдельным моментам времени, которые отражают высоту амплитуды в этой точке. Второе различие между цифровым звуком и аналоговым звуком заключается в том, что цифровой звук является дискретным.

Как известно, цифровая информация хранится в байтах, каждый из которых состоит из 8 бит. Бит — это наименьшая единица цифровой информации, которая может принимать только два значения: ноль или единицу.

Так как же преобразовать непрерывный аналоговый сигнал в последовательность нулей и единиц, да еще правильно связать эту информацию с временной шкалой? Преобразование аудио в цифровой формат делится на две операции: сэмплирование и квантование. Сэмплирование — дискретизирует время, а квантование — амплитуду. Это операции, которые выполняет ваш аудиоинтерфейс.

Каждый аудиоинтерфейс имеет АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Давайте посмотрим, как работает запись звука при использовании микрофона и компьютера с подключенным к записи аудиоинтерфейсом.

Когда вы говорите, ваш голос создает колебания давления воздуха, которые микрофон улавливает и преобразует в электрический сигнал с переменным напряжением. Принятый электрический сигнал очень слабый, поэтому он усиливается, а затем отправляется на аудиоинтерфейс для преобразования в цифровой формат. Основываясь на своих внутренних часах, АЦП делит время на множество отдельных точек. Дискретизация времени происходит по заданной частоте, которая показывает, на сколько точек будет разделена 1 секунда звука. В каждый полученный момент времени АЦП измеряет напряжение входного сигнала и присваивает соответствующую цифру значению амплитуды. Данные, полученные в результате такого преобразования, можно сохранить на компьютере.

Цифровое аудио

Когда вы начнете воспроизводить аудиофайл, начнется обратный процесс. Цифровая информация будет отправлена ​​с компьютера на ваш аудиоинтерфейс. Ваш ЦАП обеспечит обратное преобразование полученной информации в непрерывный электрический сигнал с переменным напряжением. Затем сигнал будет усилен и воспроизведен вашей акустической системой.

Так какой же должна быть частота дискретизации (sample rate), чтобы получить цифровой звук, который затем можно преобразовать обратно в аналоговый сигнал? Согласно теореме Котельникова каждый сигнал с ограниченной полосой пропускания может быть дискретизирован, а затем восстановлен из цифровой формы, если частота дискретизации как минимум в два раза превышает самую высокую частоту исходного сигнала.

Это означает, что наш сигнал должен иметь максимальную частоту, которая никогда не будет превышена. Когда мы установили самую высокую частоту, осталось умножить ее на два и получить нужную частоту дискретизации. Кроме того, по теореме из входного сигнала должны быть удалены все частоты, превышающие половину частоты дискретизации.

Поскольку люди слышат звуки с частотой от 20 Гц до 20 кГц, частота дискретизации 40 кГц должна быть достаточной для кодирования любого звука, слышимого человеком. При работе фильтра малого запаса перед преобразованием в цифру в стандарте cd audio отсекаются звуки выше 22 050 Гц, а частота дискретизации составляет 44 100 Гц.

Теперь посмотрим, какие именно числа присваивает АЦП значениям амплитуды при преобразовании аналогового сигнала.

Компьютер может присвоить амплитуде конечное число значений. Как было сказано выше, любая информация в компьютере представляет собой последовательность битов, каждый из которых принимает значение нуля или единицы.

N-битное цифровое выражение предполагает 2n различных вариантов значений, то есть 2n различных вариантов последовательностей нулей и единиц. В таблице приведены варианты последовательности для n = 2,3,4.

п=2 4 возможных значения n = 3 8 возможных значений n = 4 16 вариантов стоимости

00 01 10 11

000 001 010 011 сто 101 110 111

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

 

Предположим, что наш аудиоинтерфейс имеет ограничение в 3 бита для кодирования аудиосигнала в цифровом виде. Это означает, что у нас есть 8 вариантов последовательностей нулей и единиц. Это наш последний набор чисел, о котором упоминалось ранее.

000
001
010
011
сто
101
110
111

Величина амплитуды звуковой волны колеблется в пределах от -5 до +5 вольт, то есть общий диапазон составляет 10 вольт. Если у нас 3-битный аудиоинтерфейс и кодировать нужно всего 8 значений, то весь 10-вольтовый диапазон будет разбит на 8 равных участков по 1,25 вольта, каждому присвоен свой номер.

То есть, например, для напряжения от 0 до 1,25 вольта мы будем использовать цифровое выражение 100.

Напомним, что при преобразовании сигнала каждая секунда делится на 44 100 моментов времени, и в каждом из этих моментов измеряется напряжение. Нам осталось присвоить каждому моменту времени желаемое цифровое значение амплитуды.

При квантовании теряется много информации, так как все значения амплитуд, попадающие в одну и ту же область, будут преобразованы в один и тот же цифровой код. Фактически цифровой код участка точно отражает только среднее значение напряжения на этом участке.

Таким образом, если мы закодируем среднее напряжение секции, в данном случае 0,625 вольта, мы получим точное значение. Присвоение того же кода любому другому напряжению сечения вызовет небольшую ошибку. Следовательно, максимальная ошибка, которую можно получить, равна половине размера области.

Однако, если при кодировании используется больше битов, разделы будут уменьшены, что повысит точность кодирования.

Обычно для кодирования аудиоинформации используются 16 или 24 бита. В то же время 24 бита обеспечивают гораздо более высокую точность кодирования.

216 = 65 536 участков
224 = 16 677 216 участков

Дизеринг используется для уменьшения ошибок квантования. Иногда сигнал остается в одной области несколько соседних моментов времени. Тогда путем кодирования все моменты времени получат один и тот же код, получится прямая линия цифрового сигнала. Это ошибка квантования. Дизеринг — это смешивание в сигнале мелких шумов, которые не слышны, но позволят исходной звуковой волне выйти за границы участка, давая возможность более точно кодировать исходную форму волны звука при квантовании

Стандарт cd 44 100 Гц, 16 бит. Поэтому, если вы записали 24-битный звук и позже хотите записать его на компакт-диск, обязательно используйте дизеринг, чтобы избежать ошибок квантования при переходе от 24-битного к 16-битному.

Безусловным преимуществом цифрового звука является то, что качество сигнала не ухудшается ни при копировании информации, ни при ее воспроизведении. Однако считается, что человеку гораздо комфортнее слушать так называемый «теплый» аналоговый сигнал, чем «холодный» цифровой звук.

Переход от аналогового звука к цифровому

Предположим, я говорю в микрофон. Микрофон преобразует мой голос в электричество постоянного тока. Этот электрический ток проходит по проводу через какой-то усилитель и, наконец, поступает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Помните, что компьютеры не хранят звуки, они хранят математические значения, поэтому нам нужно что-то, что преобразует аналоговый ток в последовательность 1 и 0. Это то, что делает АЦП. Проще говоря, преобразователь делает быстрые снимки звуковой волны, называемые сэмплами, и присваивает каждому сэмплу значение амплитуды. И здесь мы подходим к двум основным понятиям, которые помогут объяснить природу цифрового звука. Этими понятиями являются время и амплитуда.

Битность звука

2, затем 50,4, затем 50,6 и т д. Аналоговый сигнал со значением амплитуды 50,46 теперь будет округляться до 50,4 вместо 50. Это серьезное улучшение, которое не устраняет ошибки полностью, но значительно снижает их влияние. Повышение разрядности — это по сути увеличение количества ступеней на лестнице при уменьшении ее высоты. По мере уменьшения ошибки квантования уменьшается уровень шума, высота которого меньше. Теперь у нас есть 50, затем 50,2, затем 50,4, затем 50,6 и так далее. Аналоговый сигнал со значением амплитуды 50,46 теперь будет округляться до 50,4 вместо 50 их воздействие.в количестве ступеней на лестнице при уменьшении ее высоты. По мере уменьшения ошибки квантования уровень шума уменьшается.

Зачем мне это знать, спросите вы? Дело в том, что современная музыка использует большое количество компрессии. Стало обычным делом добиваться максимальной плотности звука, сжимая и часто выжимая записанный инструмент или вокал, а затем снова обрабатывая весь микс с помощью компрессора. Помните, что одним из основных недостатков сжатия является повышенный уровень шума! После сжатия вдруг становятся слышны совершенно незаметные ошибки квантования. Особенно это становится заметно в более тихих частях песен, например, где остается играть только на одном инструменте, или когда в конце песни все инструменты начинают плавно затихать.Более высокий битрейт во время записи позволит добиться значительно более низкого уровня шума.

Громкость в цифровом звуке

Громкость цифровых сигналов не должна превышать 0 дБ. Если не учитывать этот нюанс, на входе или выходе получаем перегрузку цифрового сигнала. Это значение является наивысшей точкой, то есть пиковым значением. Он позволяет записывать качественный звук и правильно его воспринимать. При превышении этого значения сигнал искажается, и оборудование может выйти из строя из-за перегрузки.

Помимо точки максимума, в понятие громкости входит и такой элемент, как среднеквадратичное значение. Это понятие определяет фактический уровень громкости, который отражает плотность записи и предоставляет информацию о громкости, которую способны воспринимать наши уши. RMS указывается в децибелах, но с отрицательным значением: звук тем громче, чем выше числовое значение RMS (максимально громко — 6 дБ, максимально тихо — -20 дБ). Оптимальные значения цифровой громкости -12дБ — -10дБ.

Ширина диапазона частот и частота дискретизации

Частота дискретизации, пожалуй, самая спорная тема в мире цифровой аудиозаписи. Частота дискретизации определяет, насколько быстро компьютер делает те самые звуковые кадры, о которых мы говорили в начале. Большинство людей предполагают, что чем чаще будут делаться эти фотографии (на самом деле процесс больше похож на импульс, чем на фотографию, но это не имеет значения), тем больше будет результат, похожий на непрерывный звук. А это означает аналоговый звук. Но это не так. Помните, что цифровой мир состоит из математики, а не звука. Я понимаю, что со стороны все слишком сложно, но потерпите еще немного, я вам все объясню.

Звук в основном представляет собой набор синусоидальных компонентов. А для определения синусоиды нужно всего три контрольных значения. Итак, для корректного описания синусоидальных составляющих частота дискретизации (дискретизации) должна быть как минимум в 2 раза выше частоты звука. И если мы не слышим звуки выше 22 кГц или синусоидальные волны, повторяющиеся более 22 000 раз в секунду, все, что нам нужно сделать, это сделать 44 000 кадров в секунду. Отсюда и известная всем частота дискретизации: 44,1 кГц.

Но ждать! Что, если функция между этими тремя контрольными точками не является синусоидой? Что, если ваш график имеет какую-то странную форму и оказывается, что АЦП, основываясь всего на трех контрольных точках, превращает этот график в синусоиду? Дело в том, что даже самая безумная функция распадается на синусоидальные составляющие. И если эти синусоидальные составляющие находятся в слышимом диапазоне частот, то АЦП улавливает их правильно. И если эти синусоиды слишком быстрые для нашей частоты дискретизации, ничего страшного, мы их все равно не услышим.

Помните, цифровое аудио — это не столько звук, сколько математика. Как только данные поступают от АЦП, компьютер преобразует биты в плавную непрерывную звуковую волну. И сколько бы у вас ни было контрольных точек, 3 или 300, построенный компьютером звук будет звучать одинаково.

А как насчет частот дискретизации 88,2, 96 и 192 кГц? Во-первых, еще не доказано на 100%, что человек слышит звуки только до 22 кГц. Во-вторых, АЦП использует ограничение частоты, равное половине частоты дискретизации. При частоте дискретизации 44,1 кГц АЦП обрезает частоты выше 22 кГц. А если он плохо настроен, то может вызывать искажения на частотах ниже 22 кГц, что называется «алиасинг» (частотное наложение). Также некоторые программные плагины, в частности эквалайзеры, страдают фазовыми искажениями на высоких частотах. Искажение возникает на краю выравниваемого частотного диапазона. Если ваш частотный диапазон ограничен 22 кГц и вы хотите усилить высокие частоты с помощью эквалайзера.

Теоретически 16-битная кодированная запись 44,1 кГц будет звучать так же, как 24-битная кодированная запись 192 кГц. Но на практике во втором случае хвосты записи будут чище, реверберация будет звучать прозрачнее, верхний частотный диапазон будет более плавным, а эффект алиасинга будет проявляться гораздо меньше.

Цифро аналоговое преобразование

После преобразования звука в цифровой сигнал его необходимо преобразовать обратно в аналоговый, чтобы его можно было услышать. Для этого используются цифро-аналоговые преобразователи. На примере аудиоинтерфейсов рассмотрим, как происходит этот процесс. Аналоговый звук поступает в микшер (аналоговый вход) и отправляется на АЦП, где он квантуется и дискретизируется. Результирующий цифровой сигнал на выходе проходит тот же процесс, только в обратном порядке: данные проходят через цифро-аналоговый преобразователь, который преобразует их в аналоговый сигнал. На схеме процесс выглядит так:

Способы обработки цифрового звука

Цифровой звук обрабатывается с помощью математических операций, которые применяются к отдельным звуковым образцам или их группам разной длины. Математические операции могут имитировать традиционную аналоговую обработку (смешение, сложение, усиление или ослабление, модуляция и т д.) или альтернативные методы: спектральное разложение сигнала, коррекцию частотных составляющих с обратной «сборкой» сигналов.

Цифровая обработка сигналов может быть линейной (выполняется в режиме реального времени на «живом» звуке) и нелинейной (выполняется на ранее записанном звуке). Звуки обрабатываются универсальными процессорами общего назначения (Intel 8035, 8051, 80×86, Motorola 68xxx, SPARC) или специализированными цифровыми сигнальными устройствами Analog Devices ADSP-xxxx, Texas Instruments TMS xxx, Motorola 56xxx и др.

Методы цифровой обработки сигналов следующие:

• линейная фильтрация;
• спектральный анализ;
• временной и частотный анализ;
• адаптивная фильтрация;
• обработка нелинейного типа;
• многоскоростная обработка;
• свертка;
• секционная свертка.

Как видите, даже простой аналоговый звук может быть качественным. Для этого нужно совсем немного, лишь бы уметь его форматировать и конвертировать. А чтобы научиться этому искусству, можно пройти специальный курс обучения.