Обработка аудиосигнала

Обработка аудиосигнала - это подполе обработки сигналов который связан с электронной обработкой аудиосигналов. Аудиосигналы - это электронные представления звуковых волн - продольных волн, которые проходят через воздух и состоят из сжатий и разрежений. Энергия, содержащаяся в аудиосигналах, обычно измеряется в децибелах. Поскольку аудиосигналы могут быть представлены либо в цифровом, либо в аналоговом формате, обработка может происходить в любой области. Аналоговые процессоры работают непосредственно с электрическим сигналом, а цифровые процессоры математически оперируют с его цифровым представлением.

• 1 История
• 2 Аналоговые сигналы
• 3 Цифровые сигналы
• 4 Области применения
  • 4.1 Аудиовещание
  • 4.2 Активный контроль шума
  • 4.3 Синтез звука
  • 4.4 Звуковые эффекты
• 5 См. Также
• 6 Ссылки
• 7 Дополнительная литература

Мотивация к обработке аудиосигнала началась в начале 20 века с таких изобретений, как телефон, фонограф и радио, позволяющие передавать и хранить аудиосигналы. Обработка звука была необходима для раннего радиовещания, так как было много проблем с связями между студией и передатчиком. Теория обработки сигналов и ее применение к аудио в основном разрабатывались в Bell Labs в середине 20 века. Клод Шеннон и Гарри Найквист в ранних работах по теории коммуникации, теории выборки и импульсно-кодовой модуляции (PCM) заложил фундамент для этой отрасли. В 1957 году Макс Мэтьюз стал первым, кто синтезировал звук с компьютера, что породило компьютерную музыку.

Основные достижения в цифровое аудиокодирование и сжатие аудиоданных включают в себя дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию (DPCM) с помощью C. Чапин Катлер в Bell Labs в 1950 году, кодирование с линейным прогнозированием (LPC), разработанное Фумитада Итакура (Университет Нагоя ) и Сюдзо Сайто (Ниппон) Telegraph and Telephone ) в 1966 г., адаптивный DPCM (ADPCM) П. Каммиски, Никил С. Джаянт и Джеймс Л. Фланаган в Bell Labs в 1973 году кодирование дискретного косинусного преобразования (DCT) было выполнено Насиром Ахмедом, Т. Натараджаном и К. Р. Рао в 1974 г. и кодирование с модифицированным дискретным косинусным преобразованием (MDCT), выполненное JP Princen, AW Johnson и AB Bradley в Университете Суррея в 1987 г. LPC - это основа для перцепционного кодирования и широко используется в кодировании речи, тогда как кодирование MDCT широко используется в современных форматах кодирования звука, таких как MP3 и Advanced Audio Coding (AAC).

Аналоговый аудиосигнал - это непрерывный сигнал, представленный электрическим напряжением или током, который «аналогичен» звуковые волны в воздухе. Затем обработка аналогового сигнала включает физическое изменение непрерывного сигнала путем изменения напряжения, тока или заряда с помощью электрических цепей.

Исторически, до появления широко распространенной цифровой технологии аналоговый был единственным методом, с помощью которого манипулировать 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 все еще желательна, поскольку она часто дает нелинейные отклики, которые трудно воспроизвести с помощью цифровых фильтров.

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

Методы обработки и области применения включают хранение, сжатие данных, поиск музыкальной информации, обработка речи, локализация, акустическое обнаружение, передача, шумоподавление, акустическая идентификация, распознавание звука, синтез и улучшение (например, эквализация, фильтрация, сжатие уровня, эхо и реверберация удаление или добавление и т. д.).

Аудиовещание

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. Здесь аудиопроцессор должен предотвращать или минимизировать перемодуляцию, компенсировать нелинейные передатчики (потенциальная проблема с средневолновым и коротковолновым вещанием) и настраивать общие громкость до желаемого уровня.

Активный контроль шума

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

Синтез звука

Синтез звука - это электронное генерирование звуковых сигналов. Музыкальный инструмент, который выполняет это, называется синтезатором. Синтезаторы могут имитировать звуки или генерировать новые. Синтез звука также используется для генерации речи человека с помощью синтеза речи.

Звуковые эффекты

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

• задержка или эхо - чтобы имитировать эффект реверберации в большом зале или пещере, один или несколько задержанных сигналов добавляются к исходный сигнал. Чтобы восприниматься как эхо, задержка должна быть порядка 35 миллисекунд или выше. За исключением фактического воспроизведения звука в желаемой среде, эффект эха может быть реализован с использованием либо цифровых, либо аналоговых методов. Эффекты аналогового эха реализуются с использованием ленточных задержек или устройств типа bucket-brigade. Когда смешивается большое количество задержанных сигналов, возникает эффект реверберации ; Результирующий звук имеет эффект присутствия в большой комнате.
• фленджер - для создания необычного звука к исходному сигналу добавляется задержанный сигнал с плавно регулируемой задержкой (обычно менее 10 мс). Этот эффект теперь реализуется в электронном виде с использованием DSP, но первоначально эффект создавался путем воспроизведения одной и той же записи на двух синхронизированных магнитофонах с последующим смешиванием сигналов. Пока машины синхронизированы, микс будет звучать более или менее нормально, но если оператор приложит палец к фланцу одного из проигрывателей (отсюда и «флэнджер»), эта машина замедлится, и его сигнал будет не совпадают по фазе со своим партнером, создавая эффект фазирующего гребенчатого фильтра. 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.
• phaser - еще один способ создания необычного звука; сигнал разделяется, часть фильтруется с переменным широкополосным 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 - задержанная версия сигнала добавляется к исходному сигналу. 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 создавать эффект фленджинга . Часто задержанные сигналы будут слегка сдвинуты по высоте, чтобы более реалистично передать эффект нескольких голосов.
• эквализация - частотная характеристика настраивается с помощью звукового фильтра (s) для получения желаемых спектральных характеристик. Частотные диапазоны можно усилить или ослабить с помощью нижних частот, верхних частот, полосовых или полосовых фильтров. Умеренное использование эквализации можно использовать для точной настройки тонального качества записи; крайнее 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 включает в себя отсечение сигнала, когда его абсолютное значение превышает определенный порог.
• изменение шкалы времени-шага - этот эффект сдвигает сигнал вверх или вниз по подача. Например, сигнал может быть сдвинут на октаву вверх или вниз. Смешивание исходного сигнала со сдвинутыми дубликатами может создать гармонизацию. Другое применение сдвига высоты тона - это коррекция высоты тона, где музыкальный сигнал настраивается для улучшения интонации. Дополнением к сдвигу основного тона является модификация шкалы времени, то есть процесс изменения скорости звукового сигнала без изменения его высоты тона.
• резонаторы - подчеркивают содержание гармоник на определенных 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.
• кольцевая модуляция - это эффект, прославленный Доктором Кто Далексом и широко используемый в научной фантастике.
• Сжатие динамического диапазона - управление динамическим диапазоном звука, чтобы избежать непреднамеренного или нежелательного колебания уровня. Сжатие динамического диапазона не следует путать с сжатием аудиоданных, где объем данных уменьшается без влияния на амплитуду звука, который они представляют.
• 3D-звуковые эффекты - размещение звуков снаружи пространственный диапазон, доступный через стерео или объемное отображение.
• синтез волнового поля - метод пространственного воспроизведения звука для создания виртуальных акустических сред.
• Де- esser - контроль шипения в речи и пении.

• Звуковая карта
• Звуковой эффект

• Rocchesso, Давиде (20 марта 2003 г.). Введение в обработку звука (PDF).
• Уилмеринг, Томас; Моффат, Дэвид; Майло, Алессия; Сэндлер, Марк Б. (2020). «История звуковых эффектов». Прикладные науки. 10 (3): 791. doi :10.3390/app10030791.