Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Чтобы узнать о других значениях, см. Звуковой эффект .
"Аудиопроцессор" перенаправляется сюда. Для получения информации о микросхемах обработки звука см. Звуковой чип .

Обработка аудиосигналов - это подполе обработки сигналов , которое связано с электронной обработкой аудиосигналов . Аудиосигналы - это электронные представления звуковых волн - продольных волн, распространяющихся в воздухе, состоящих из сжатий и разрежений. Энергия, содержащаяся в аудиосигналах, обычно измеряется в децибелах . Поскольку аудиосигналы могут быть представлены в цифровом или аналоговом формате, обработка может происходить в любом домене. Аналоговые процессоры оперируют непосредственно электрическим сигналом, а цифровые процессоры математически оперируют его цифровым представлением.

История [ править ]

Мотивация к обработке аудиосигналов началась в начале 20-го века с такими изобретениями, как телефон , фонограф и радио, которые позволили передавать и хранить аудиосигналы. Обработка звука была необходима для раннего радиовещания , так как было много проблем со связью между студией и передатчиком . [1] Теория обработки сигналов и ее применение к звуку в значительной степени были разработаны в Bell Labs в середине 20 века. Клод Шеннон и Найквист «S ранних работ по теории коммуникации , теории отбора проб иИмпульсно-кодовая модуляция (ИКМ) заложила основы этой области. В 1957 году Макс Мэтьюз стал первым человеком, синтезировавшим звук с компьютера , что породило компьютерную музыку .

Основные разработки в области кодирования цифрового звука и сжатия аудиоданных включают дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию (DPCM), выполненную Ч. Чапином Катлером из Bell Labs в 1950 г. [2], кодирование с линейным предсказанием (LPC), разработанное Фумитадой Итакурой ( Университет Нагоя ) и Сюдзо Сайто ( Nippon Telegraph and Telephone ) в 1966 г. [3] адаптивный DPCM (ADPCM) П. Каммиски, Никил С. Джаянт и Джеймс Л. Фланаган из Bell Labs в 1973 г. [4] [5] кодирование дискретного косинусного преобразования (DCT) с помощью Насир Ахмед, T. Natarajan и KR Rao в 1974 г. [6] и модифицированное кодирование с дискретным косинусным преобразованием (MDCT), разработанное JP Princen, AW Johnson и AB Bradley в Университете Суррея в 1987 г. [7] LPC является основой перцептивного кодирования и широко используется в кодирования речи , [8] , а MDCT кодирование широко используется в современных аудио кодирования форматов , таких как MP3 [9] и кодирование Advanced Audio (AAC). [10]

Аналоговые сигналы [ править ]

Основная статья: Обработка аналогового сигнала

Аналоговый аудиосигнал - это непрерывный сигнал, представленный электрическим напряжением или током, который «аналогичен» звуковым волнам в воздухе. Затем обработка аналогового сигнала включает физическое изменение непрерывного сигнала путем изменения напряжения, тока или заряда через электрические цепи .

Исторически до появления широко распространенной цифровой технологии аналоговый был единственным методом манипулирования сигналом. С того времени, когда компьютеры и программное обеспечение стали более функциональными и доступными, предпочтительным методом стала цифровая обработка сигналов. Однако в музыкальных приложениях аналоговая технология часто по-прежнему желательна, поскольку она часто дает нелинейные отклики, которые трудно воспроизвести с помощью цифровых фильтров.

Цифровые сигналы [ править ]

Основная статья: Цифровая обработка сигналов

Цифровое представление выражает звуковую волну как последовательность символов, обычно двоичных чисел . Это позволяет обрабатывать сигналы с использованием цифровых схем, таких как процессоры цифровых сигналов , микропроцессоры и универсальные компьютеры . В большинстве современных аудиосистем используется цифровой подход, поскольку методы цифровой обработки сигналов намного мощнее и эффективнее, чем обработка сигналов в аналоговой области. [11]

Области применения [ править ]

Способы обработки и области применения включают хранение , сжатие данных , поиск музыкальной информации , обработку речи , локализацию , акустическое обнаружение , передачу , шумоподавление , акустические отпечатки пальцев , распознавание звука , синтез и улучшение (например, эквализацию , фильтрацию , сжатие уровня , эхо и реверберацию удаление или добавление и т. д.).

Аудиотрансляция [ править ]

См. Также: Вещание

Обработка аудиосигнала используется при трансляции аудиосигналов для повышения их точности или оптимизации полосы пропускания или задержки. В этой области наиболее важная обработка звука происходит непосредственно перед передатчиком. Аудиопроцессор здесь должен предотвращать или минимизировать перемодуляцию , компенсировать нелинейные передатчики (потенциальную проблему со средневолновым и коротковолновым вещанием) и регулировать общую громкость до желаемого уровня.

Активный контроль шума [ править ]

Активный контроль шума - это метод, разработанный для уменьшения нежелательного звука. Создавая сигнал, идентичный нежелательному шуму, но с противоположной полярностью, два сигнала нейтрализуются из-за деструктивных помех .

Синтез звука [ править ]

См. Также: Синтезатор

Аудиосинтез - это электронная генерация аудиосигналов. Музыкальный инструмент, который выполняет это, называется синтезатором. Синтезаторы могут имитировать звуки или генерировать новые. Звуковой синтез также используется для генерации человеческой речи с использованием синтеза речи .

Звуковые эффекты [ править ]

Звуковые эффекты - это системы, предназначенные для изменения звучания аудиосигнала. Необработанный звук метафорически называется сухим , а обработанный звук - влажным . [12]

  • задержка или эхо - чтобы имитировать эффект реверберации в большом зале или пещере, один или несколько задержанных сигналов добавляются к исходному сигналу. Чтобы восприниматься как эхо, задержка должна быть порядка 35 миллисекунд или больше. За исключением фактического воспроизведения звука в желаемой среде, эффект эха может быть реализован с использованием цифровых или аналоговых методов. Аналоговые эхо-эффекты реализуются с использованием ленточных задержек или устройств типа bucket-brigade . Когда смешивается большое количество задержанных сигналов, возникаетэффект реверберации ; В результате звук воспроизводится в большом помещении.
  • фленджер - для создания необычного звука к исходному сигналу добавляется задержанный сигнал с плавно регулируемой задержкой (обычно менее 10 мс). Этот эффект теперь выполняется в электронном виде с использованием DSP , но первоначально эффект создавался воспроизведением одной и той же записи на двух синхронизированных магнитофонах с последующим смешиванием сигналов. Пока машины были синхронизированы, микс будет звучать более или менее нормально, но если оператор приложит палец к фланцу одного из проигрывателей (отсюда «флэнджер»), этот аппарат замедлится, и его сигнал будет не совпадают по фазе со своим партнером, создавая фазирующий гребенчатый фильтрэффект. Как только оператор убирал палец, игрок ускорялся до тех пор, пока он не возвращался в фазу с мастером, и когда это происходило, эффект фазирования, казалось, скользил вверх по частотному спектру. Это повышение и понижение регистра может выполняться ритмично.
  • фазер - еще один способ создания необычного звука; сигнал разделяется, часть фильтруется переменным всепроходным фильтром для получения фазового сдвига, а затем нефильтрованные и отфильтрованные сигналы смешиваются для создания гребенчатого фильтра. Эффект фазера изначально был более простой реализацией эффекта фленджера, поскольку задержки было трудно реализовать с помощью аналогового оборудования.
  • хорус - к исходному сигналу добавляется задержанная версия сигнала. Задержка должна быть короткой, чтобы не восприниматься как эхо, но должна быть более 5 мс, чтобы ее можно было слышать. Если задержка слишком короткая, это будет деструктивно мешать сигналу без задержки и создаватьэффект флэнджера . Часто задержанные сигналы будут немного сдвинуты по высоте, чтобы более реалистично передать эффект нескольких голосов.
  • эквализация - частотная характеристика регулируется с помощью звукового фильтра (ов) для получения желаемых спектральных характеристик. Диапазоны частот можно выделить или ослабленыпомощью нижних частот , верхних частот , полосовой или группа-стоп фильтров. Умеренное использование эквализации можно использовать для точной настройки тонального качества записи; чрезмерное использование эквализации, например резкое срезание определенной частоты, может создавать более необычные эффекты. Полосовая фильтрация голоса может имитировать эффект телефона, поскольку в телефонах используются полосовые фильтры.
  • Эффекты перегрузки могут использоваться для создания искаженных звуков и увеличения громкости . Самый простой эффект овердрайва заключается в ограничении сигнала, когда его абсолютное значение превышает определенный порог.
  • изменение шкалы времени-высоты тона - этот эффект сдвигает сигнал вверх или вниз по высоте тона. Например, сигнал может быть сдвинут на октаву вверх или вниз. Смешивание исходного сигнала со смещенными дубликатами может создать гармонизацию . Еще одно применение изменения высоты звука - коррекция высоты звука, при которой музыкальный сигнал настраивается для улучшения интонации . Дополнением к сдвигу высоты тона является модификация шкалы времени, то есть процесс изменения скорости звукового сигнала без изменения его высоты тона.
  • резонаторы - подчеркивают содержание гармоник на указанных частотах. Они могут быть созданы из параметрического уравнения или из гребенчатых фильтров на основе задержки.
  • Роботизированные голосовые эффекты используются для того, чтобы голос актера звучал как синтезированный человеческий голос.
  • Кольцо модуляция представляет собой эффект сделанного известного врача , который «ы Далеков и широко используютсяпротяжении научной фантастики.
  • Сжатие динамического диапазона - контроль динамического диапазона звука во избежание непреднамеренных или нежелательных колебаний уровня. Сжатие динамического диапазона не следует путать со сжатием аудиоданных , когда объем данных уменьшается без влияния на амплитуду звука, который они представляют.
  • Трехмерные звуковые эффекты - размещение звуков за пределами пространственного диапазона, доступного через стерео или объемное изображение.
  • синтез волнового поля - метод пространственного воспроизведения звука для создания виртуальных акустических сред.
  • Де-эссер - контроль шипения в речи и пении.

См. Также [ править ]

  • Звуковая карта
  • Звуковой эффект

Ссылки [ править ]

  1. ^ Атти, Андреас Spanias, Тед Painter, Venkatraman (2006). Обработка и кодирование аудиосигналов ([Online-Ausg.] Ред.). Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья. п. 464. ISBN 0-471-79147-4.
  2. ^ Патент США 2605361 , C. Чэпин Катлер, «Дифференциальная Квантование сигналов связи», выданный 1952-07-29 
  3. ^ Грей, Роберт М. (2010). «История цифровой речи в реальном времени в пакетных сетях: Часть II линейного прогнозирующего кодирования и Интернет-протокола» (PDF) . Найденный. Тенденции сигнального процесса . 3 (4): 203–303. DOI : 10.1561 / 2000000036 . ISSN 1932-8346 .  
  4. ^ П. Каммиски, Никил С. Джаянт и Дж. Л. Фланаган, «Адаптивное квантование в дифференциальном кодировании речи с ИКМ», Bell Syst. Tech. J. , т. 52, стр. 1105–1118, сентябрь 1973 г.
  5. ^ Cummiskey, P .; Джаянт, Никил С .; Фланаган, JL (1973). «Адаптивное квантование в дифференциальном кодировании речи с ИКМ». Технический журнал Bell System . 52 (7): 1105–1118. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1973.tb02007.x . ISSN 0005-8580 . 
  6. ^ Насир Ахмед ; Т. Натараджан; Камисетти Рамамохан Рао (январь 1974 г.). «Дискретное косинусное преобразование» (PDF) . Транзакции IEEE на компьютерах . С-23 (1): 90–93. DOI : 10.1109 / TC.1974.223784 .
  7. ^ JP Princen, AW Johnson и AB Bradley: Кодирование поддиапазонов / преобразований с использованием схем банка фильтров, основанных на отмене наложения спектров во временной области , IEEE Proc. Intl. Конференция по акустике, речи и обработке сигналов (ICASSP), 2161–2164, 1987.
  8. ^ Шредер, Манфред Р. (2014). "Bell Laboratories" . Акустика, информация и связь: Мемориальный том в честь Манфреда Р. Шредера . Springer. п. 388. ISBN. 9783319056609.
  9. ^ Гукерт, Джон (весна 2012 г.). «Использование БПФ и MDCT в сжатии аудио MP3» (PDF) . Университет Юты . Проверено 14 июля 2019 .
  10. ^ Бранденбург, Карлхайнц (1999). «Объяснение MP3 и AAC» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 13 февраля 2017 года.
  11. ^ Zölzer, Удо (1997). Цифровая обработка аудиосигнала . Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-97226-6.
  12. ^ Ходжсон, Джей (2010). Понимание записей , стр.95. ISBN 978-1-4411-5607-5 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Роккессо, Давиде (20 марта 2003 г.). Введение в обработку звука (PDF) .
  • Вилмеринг, Томас; Моффат, Дэвид; Майло, Алессия; Сэндлер, Марк Б. (2020). «История звуковых эффектов» . Прикладные науки . 10 (3): 791. DOI : 10,3390 / app10030791 .