Методы и средства мультимедиа Звук (стр. 1 из 9)
Московский авиационный институт
(государственный TEXнический университет)
Факультет прикладной математики
Кафедра вычислительной математики и программирования
Методы и средства Мультимедиа. Звук
Преподаватель: О.В. Казанцев
Студент: И.К. Никитин
Москва, 2010
Содержание
1 Основные сведения о звуковых волнах 5
1.1 Характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Закон Вебера-Фехнера для звука . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Логарифмическая шкала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Примеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Спектральное представление звука . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Искажения и эффекты 10
2 Линейные искажения 10
2.1 Линейные искажения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Искажения в многоканальных системах . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Нелинейные искажения. Помехи и шумы 12
3.1 Примеры нелинейных искажений . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.1 Перегрузка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2 Интермодуляционные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.3 Биение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Помехи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 Цифровой способ представления звука 14
4.1 Аналогово-цифровое преобразование . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.1.1 Фильтрация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.1.2 Дискретизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.1.3 Квантование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5 Динамическая обработка звука 17
5.1 Компрессор и лимитер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.2 Гейт и экспандер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6 Частотная коррекция звукового сигнала 21
6.1 Частотные фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
6.1.1 Фильтр низких частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6.1.2 Фильтр высоких частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6.1.3 Полосовый фильтр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.2 Эквалайзер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7 Пространственные и модуляционные эффекты 25
7.1 Хорус, Фленджер, Фазер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.2 Эхо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.3 Реверберация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Синтез звука 30
8 Аддитивный синтез звука 31
9 Субтрактивный синтез звука 32
10Частотной модуляция 33
10.1Генератор, управляемый кодом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
10.2Частотная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
10.3Синтез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
11Нелинейный синтез звука 36
12Таблицы волн 37
12.1WT-синтез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
12.2Сэмплерные синтезаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
13Физическое моделирование 39
14Звуковые платы 40
14.1Состав звуковой платы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
14.2Блок записи и воспроизведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
14.3Блок синтезатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
14.4Блок DSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
14.5Блок интерфейсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
14.6Блок микшера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
MIDI-интерфейс 44
15MIDI-интерфейс 44
15.1Назначение MIDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
15.2Аппаратная реализация MIDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
15.3Разъем DIN-5 (СГ-5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
16Протокол MIDI 47
16.1Адресация в MIDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
16.2Типы MIDI-сообщений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
16.2.1Канальные сообщения о звуке . . . . . . . . . . . . . . . . 48
16.2.2Канальные сообщения о режиме . . . . . . . . . . . . . . . 49
16.2.3Системные сообщения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
17Стандарты MIDI-систем 50
17.1General MIDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
17.2General Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
17.3Extended General MIDI (XG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
17.4Все вместе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Запись и передача 53
18Секвенсоры 53
18.1Простейшая студия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
18.2Студия для записи «живого» исполнения . . . . . . . . . . . . . . 53
18.3Студия для многоканальной записи . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
18.4Студия для многоканальной записи с секвенсором . . . . . . . 55
18.5Секвенсор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
18.5.1Паттерновые (Шаговые) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
18.5.2Линейные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
19Маскирование 58
19.1Сжатие звука . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
20Формат MP3 60
20.1Алгоритм сжатия MP3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
20.2Схема MP3 кодера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
20.3Режимы кодирования стерео . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
20.4Психоакустические форматы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Программирование звука 63
21Основные программные интерфейсы 63
22Программный интерфейс MME 63
22.1Способы кодирования звука . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
22.2Формат потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
22.3Структура потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
22.4Системные особенности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
22.4.1Несколько процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
22.4.2Wave Mapper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
22.4.3Устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
22.5Алгоритм взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
23Программный интерфейс DirectSound 71
23.1Назначение, структура, особенности . . . . . . . . . . . . . . . . 71
23.2Аппаратная поддержка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
23.3Звуковые буферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
23.3.1Аппаратные и программные . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
23.3.2Первичный и вторичные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
23.4Уровни взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
23.5Наборы свойств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
23.6Идентификация устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
23.7Системные особенности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
23.8Алгоритм взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
23.8.1Воспроизведение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
23.8.2Запись . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Предметный указатель 81
1. Основные сведения о звуковых волнах
1.1. Характеристики
Звуковая волна — процесс распространения в сплошной среде объемных деформаций.
Забавно, заметить, если длинна волны больше расстояния между ушами человека, то он не сможет определить откуда идет звук.
Порог слышимости — минимальное значение интенсивности звука, воспринимаемым человеческим ухом.
Порог слышимости зависит от частоты звуковой волны. Минимальное значение лежит в частоте 2 кГц и составляет
м 
Порог болевого ощущения — интенсивность звука вызывающего болевые ощущения.
Порог болевого ощущения не зависит от частоты звуковой волны. Значение составляет 10 [мВт2]
1.2. Закон Вебера-Фехнера для звука
Теоремма 1 (Закон Вебера-Фехнера). Слух одинаково оценивает равные относительные изменения силы звука.
1.3. Логарифмическая шкала
• L — интенсивность в Беллах.
• I — интенсивность.
• I0 — порог.
1.4. Примеры
Шум Громкость Фоновый 10 ДбТранспорт 70 Дб
Оркестр 90 Дб Наушники 100 Дб
Реактивный двигатель 120 Дб
Болевой порог 130 Дб
1.5. Спектральное представление звука
Звук представим в виде спектра:
x(t) = X · sin(2 · π · f · t + φ);
Даже белый шум представим как сумма гармоник, но не синусоидальных, а интегральных.
• A — амплитуда;
• f — частота.
Изобразим первый член ряда:
Изобразим два члена ряда:
Изобразим три члена ряда:
.x(t)
Изобразим четыре члена ряда:
Изобразим десять членов ряда:
Наблюдаемые горбы (осциляции) называются эффектом Гиббса.
Таким образом можно изобразить звуковой спектр на графике:
≺ Искажения и эффекты ≻
2. Линейные искажения
Искажение — изменение формы сигнала после прохождения через электроакустические устройства.