Спектр звука - что это?

Спектр звука - что это?

Привычное для всех нас понятие "звук" означает всего лишь воспринимаемый слуховым аппаратом человека набор звуковых колебаний. Звуковая волна (звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул воздуха. А любые колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой.

Человек среднего возраста может чувствовать звуки от 10 Гц до 20 кГц, осмысленно слышать - от 30 Гц до 16 кГц. Основную информацию о звуковых колебаниях мозг получает в области до 4 кГц. Частоты выше 4 кГц являются для человека лишь вспомогательными. В целом, принято считать, что низкие частоты "ответственны" за разборчивость, ясность аудиоинформации, а высокие частоты – за субъективное качество звука. Для передачи звука "как он есть" желательно сохранить весь, хоть как-либо, воспринимаемый диапазон от 10 Гц до 20 кГц.

Более подробно об основах цифрового звука можно прочитать в статье Понятие о цифровом звуке для чайников.

Здесь я хочу "разжевать" смысл некоторых действий, которые нередко применяются для оценки качества цифрового звука. А конкретнее - о спектрах.

Спектр звукового сигнала (звуковой волны) является одним из важнейших инструментов анализа и обработки звука. Спектральное разложение сигналов – тема обширная и сложная. Но нам глубоко в это лезть особой необходимости нет, поэтому постараюсь раскрыть эту тему, не слишком вдаваясь в ее теоретические подробности.

Нам достаточно знать, что любой звук - это периодические колебания. Любое колебание имеет частоту. И если звук (тон) имеет только одну частоту колебаний, то он называется чистым. Примером может служить звук камертона. (Кстати, просто для информации - частота его колебаний едина во всём мире и равна 440Гц). Но на самом деле, практически все звуки состоят из колебаний на нескольких частотах одновременно, кратных частоте основного тона (сложный тон). Любое, даже самое сложное по форме колебание (например, звук голоса человека или музыкального инструмента), можно представить в виде некоторой совокупности простейших синусоидальных гармонических колебаний определенных частот и амплитуд (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром. Доказал это знаменитый французский ученый Фурье и его теорема широко используется в современных приборах и методах, предназначенных для спектрального анализа.

Со школы мы привыкли представлять колебания в волновой форме, когда по горизонтальной оси откладывается время, а по вертикальной - сила (амплитуда) колебания. В качестве наглядного примера рассмотрим звуковую волну, образованную путем наложения (сложения) трёх синусоид с частотами 500 Гц, 2000 Гц и 2500 Гц:

Но можно представить график звука и в другом виде, когда по горизонтали мы откладываем не время, а частоту. И вот в таком представлении мы теперь посмотрим на частотный спектр этой же самой звуковой волны. Как видно на рисунке, спектр сигнала содержит пики на соответствующих синусоидам частотах и полную «тишину» в остальных точках спектра. Высота каждого пика показывает амплитуду соответствующей синусоиды.

В спектральном виде графики ноты, взятой, например, на рояле и на кларнете, имеют такой вид (схематически).

А график реальной звуковой волны в волновой и спектральной формах будет выглядеть вот так



По виду спектры бывают: дискретными (линейчатыми) или сплошными. Дискретным является спектр, у которого можно выделить отдельные составляющие, сплошным - спектр, у которого нельзя выделить отдельные составляющие, так как они расположены настолько близко, что сливаются друг с другом. Примером линейчатых спектров могут быть спектры в самом начале статьи, а сплошного - спектр реального звука в последнем примере.

А вот теперь, думаю, Вы достаточно готовы, чтобы понять смысл ещё одного вида спектров звука, который чаще всего и используется для оценки качества сигнала. Например при анализе реального качества mp3. Оказывается там всё просто. По горизонтальной оси откладывается время. По вертикальной - частота.

А где-же уровень сигнала, спросите Вы? Ведь без уровня сигнала это вовсе не спектр... А уровень сигнала показан цветом. Обратите внимание на ещё одну вертикальную шкалу справа. Там показана зависимость цвета от уровня сигнала. Таким образом подобная спектрограмма показывает распределение уровней сигнала всех имеющихся в нём частот в любой момент времени. Сложно? Не поняли? Хорошо... тогда помедленнее и поподробнее

Если на графике-спектрограмме в любой момент времени мы захотим узнать уровень сигнала интересующей нас частоты, то нам достаточно будет выбрать нужное время, провести вертикальную черту. Выбрать нужную частоту, провести горизонтальную черту. И на их пересечении будет точка определённого цвета. Так вот цвет этой точки и будет показывать уровень сигнала. Кстати, в окошке частотного анализа на самом деле показывается сплошной график всего спектра частот в конкретной временной отметке. В нашем примере - на отметке 1 мин 54,192 сек. Или можно взять усреднённый спектр за определённый промежуток времени. Как видно, в этом случае в окошке частотного анализа кривая намного сглаженнее. А Вы боялись... Как оказалось - проще только яйца. Так одним взглядом можно оценить уровни различных частот в интересующем нас звуке или звуковом фрагменте.

В принципе, нам большего и не надо.

А углублённый анализ подобных вещей оставим мудрым головам из ВНИИРПА, Fraunhofer-Institut fur Integrierte Schaltungen и Dolby Laboratories.