Привет!
Этот интерактивный гид объясняет, что такое звуковые волны. Мы посмотрим на извилистые формы графиков и изучим фундаментальные основы физики звука. Поговорим о связи гармонии и музыки, и разберёмся, как простые сигналы создают более сложные.
Гид предназначен для самой широкой аудитории, информация подаётся простым и понятным языком. Вместо сложных формул мы воспользуемся интерактивными элементами, наглядно объясняющими, о чём идёт речь.
Материал будет интересен как обычным читателям, так и начинающим музыкантам, продюсерам и звукорежиссёрам. В течение следующих четырёх глав мы узнаем, как устроен звуковой сигнал, а заодно познакомимся с основами синтеза звука.
Поехали!
Прибавим громкость
Гид объясняет основы звука, поэтому критически важно слышать, о чём мы говорим. Материал сопровождается интерактивными звуковыми графиками: все иллюстрации можно послушать, а параметры звучания — изменить в реальном времени. Соответствующие элементы управления будут появляться на странице по мере повествования.
Так как никто не любит неожиданно кричащие страницы, пока что мы выключили звук. Вы можете самостоятельно включить аудио и настроить комфортную громкость с помощью виджета «Громкость» в правом верхнемв левом нижнем углу экрана.
К сожалению, программные ограничения, введённые компанией Apple в операционных системах iOS и iPadOS, не позволяют в полной мере взаимодействовать с сайтом. Так читатели, использующие смартфоны и планшеты Apple и мобильный браузер Safari, не смогут услышать звук на странице, даже если нажмут на кнопку его включения. Всё, что мы можем посоветовать в этом случае — воспользоваться другим браузером или зайти на сайт с компьютера.
Изменить громкость сигнала также можно клавишами на клавиатуре. Кнопки 0 – 9 управляют громкостью. В свою очередь, клавиша с латинской буквой M включает и выключает аудио на странице.
Теперь нажмите клавишу M на клавиатуре.
Слышите тихий равномерный низкий сигнал? Это басовый тон, который поможет нам разобраться в звуковых волнах.
Обратите внимание, что в дальнейшем звук станет громче. Не выкручивайте регулятор на максимум — это может вызвать неприятные ощущения!
1. Читаем звуковые волны
Посмотрите на волновой график снизуслева.
График визуализирует информацию. Синяя линия — это данные, которые мы хотим показать. В нашем случае, звуковая волна.
Линия показывает расположение волны в пространстве и её изменения с течением времени.
Но обо всём по порядку.
Время
Горизонтальная чёрная линия на графике — ось X — показывает время (англ. time).
Сейчас наш график отображает временной интервал в одну секунду.
Смещение
Когда мы бьём по гитарной струне, то заставляем её двигаться вверх и вниз (или вперёд и назад). Если заснять этот процесс на видео, замедлить его и значительно увеличить масштаб, то станет видно, как струна колеблется из стороны в сторону подобно маятнику часов.
Если бы у нас была самая маленькая линейка в мире, мы могли бы измерить расстояние, на которое отклоняется струна от исходной позиции — той, в которой она находилась в состоянии покоя.
Вибрация струны запускает цепную реакцию для всех молекул воздуха вокруг неё — частицы воздуха приходят в движение. Они вибрируют вместе со струной, разлетаясь от неё в разные стороны.
Вертикальная чёрная линия на графике — ось Y — отображает смещение (англ. displacement) молекул воздуха. Смещение показывает громкость звуковой волны.
При лёгком прикосновении струна вибрирует слабо и едва заметно, поэтому смещение будет небольшим. Если оттянуть струну на несколько сантиметров и отпустить её, смещение молекул будет намного заметнее, а звуковая волна — значительно громче.
Синяя линия на графике снизуслева показывает одиночное колебание звуковой волны. Оно начинается со смещения молекул воздуха в положительном направлении (к отметке +1) и продолжается в отрицательном (к отметке −1).
Колебания воздуха, создающие звуковую волну, не уникальны для гитарных струн — динамики аудиосистем или студийных мониторов работают аналогичным образом. Вы наверняка замечали, как конус динамика движется вперёд и назад, когда мы слушаем музыку, — именно так динамик запускает цепную реакцию вибрации воздуха.
Сигнал всегда создаётся чем-то вибрирующим — источником или внешним воздействием, заставляющим молекулы воздуха двигаться, принимая ту или иную форму звуковой волны. Это фундаментальная особенность звука.
К сожалению, мы не можем увидеть движение молекул воздуха, но можем его визуализировать. Эта идея будет подробно раскрыта во второй главе нашего гида.
Амплитуда
Звуковая волна — это всего лишь визуальное отображение движения молекул воздуха, упрощающее восприятие и понимание звука. В реальном мире вибрации смещают молекулы на невероятные расстояния: например, на несколько нанометров или даже километров. Однако работать с этими величинами неудобно, поэтому люди придумали более абстрактные понятия для измерения звуковых волн.
Одно из таких понятий — амплитуда (англ. amplitude). Она показывает, насколько сильно молекулы воздуха отклоняются от своей исходной позиции, — той, в которой они находились в состоянии покоя. В нашем случае мы будем использовать измерения в диапазоне от 0 до 1, где 0 — полная тишина, а 1 — максимальное отклонение.
Амплитуду можно рассматривать как громкость: чем сильнее молекулы отклоняются от исходной позиции, тем более громким становится звуковой сигнал.
Приравнивание амплитуды к громкости — вынужденное упрощение, так как громкость основывается на человеческом восприятии звука.
Представьте, что сосед за дверью хлопает в ладоши. Стены отлично поглощают звук: к тому моменту, как звуковая волна от хлопков достигнет ваших ушей, амплитуда волны будет уже довольно слабой.
Тем не менее подсознательно хлопки и аплодисменты воспринимаются, как громкие звуки. Мозг моментально напоминает нам: «Хлопки — это громко!», поэтому действия соседа кажутся чем-то очень громким.
Даже если мы будем сидеть рядом с работающим телевизором, чья громкость выведена почти до предела, нам покажется, что хлопки звучат намного громче. И это при том, что телевизор заставляет молекулы воздуха вибрировать значительно сильнее, нежели аплодисменты соседа за стеной.
Добавим немного интерактива. Используйте слайдер амплитуды под звуковой волнойнад звуковой волной, чтобы посмотреть, как разная амплитуда изменяет положение синей линии на графике.
На отметке 0 синяя линяя становится прямой. Таким образом, нулевая амплитуда означает полное отсутствие звука — тишину.
Звуковая волна — это график, показывающий смещение молекул воздуха в течение некоторого периода времени. В свою очередь, амплитуда отображает, как сильно молекулы отклоняются от своей начальной позиции.
Таким образом можно понять, как именно ведёт себя звук, увидев его силу и длительность.
Частота
Как видите, звуковая волна на графике изменилась: теперь она повторяется дважды в том же промежутке времени. Молекулы воздуха стали двигаться вдвое быстрее.
Сигнал, который мы рассматриваем на графике, является периодическим, то есть постоянным. В таких сигналах звуковая волна повторяется бесконечное множество раз в течение неограниченного времени. Если вы включите звук, то услышите, что, несмотря на все изменения звуковой волны, сигнал остаётся непрерывным.
Периодические звуковые сигналы воспроизводят постоянный звук, снова и снова повторяя форму волны. Повторение происходит бесконечное множество раз до тех пор, пока сигнал не ослабнет или не прервётся под воздействием внешних факторов. Волны такого типа недоступны акустическим музыкальным инструментам, качество звука которых меняется с течением времени. Вспомните, как извлечённая на пианино нота постепенно утихает: с каждой секундой волна становится слабее, а звук — тише.
Частота (англ. frequency) — измеряет количество повторений звуковой волны в заданном промежутке времени. Она измеряется в Герцах (обозначается как «Гц») и показывает, сколько раз волна повторяется в течение секунды.
В начале материала мы договорились, что наш график показывает секундный временной интервал. Так как в заданном промежутке времени волна повторяется дважды, частота колебаний звука (или частота сигнала) составит 2 Гц. Если в этом промежутке времени волна повторится три раза, то её частота составит 3 Гц.
Частота напрямую связана с высотой звука (англ. pitch). Чем быстрее (чаще) повторяется волна, тем выше сигнал, который мы слышим.
Когда вы поёте ноту Ля первой октавы (A4), ваши связки вибрируют на частоте 440 Гц — той, на которой звучит нота Ля. Если вы пойдёте выше на три полутона и возьмёте ноту До второй октавы (C5), ваши связки станут вибрировать с частотой около 523 Гц. В первом случае волна за секунду повторится 440 раз, а во втором — 523 раза.
Другой хороший пример — двигатель автомобиля. Чем быстрее едет машина, тем быстрее вращаются компоненты двигателя, и тем выше становится производимый им звук. Точно так же себя ведёт любая другая техника, повторяющая одни и те же действия: кухонный миксер, стиральная машина, дрель. В общем, чем чаще повторения, тем выше производимый сигнал.
Однако не все звуки являются периодическими. Так, например, белый шум — это статичный сигнал, характеристики которого неизменны при любых обстоятельствах. А шум морских волн вообще не имеет конкретной высоты, так как представляет собой объединение сотен и тысяч сигналов с разной частотой и амплитудой.
Важно заметить, что сигналы, на примере которых мы объясняем основы звука, обладают слишком низкой частотой — 1 Гц и 2 Гц. Человек не способен услышать настолько низкие звуки.
Наш слух различает сигналы в диапазоне от 20 до 20 000 Гц. При этом сигнал на частоте 20 Гц — самый низкий суббасовый звук, доступный человеческому слуху.
В зависимости от индивидуальных особенностей слухового аппарата, одни люди слышат сигналы от 20 до 20 000 Гц, другие — от 50 до 15 000 Гц, третьи — от 14 Гц до 18 000 Гц.
Тем не менее частоты 1 Гц и 2 Гц выбраны не случайно: рассматривать концепцию звука намного проще на примере медленных волн. Если бы в наших примерах использовалась частота 440 Гц, мы не смогли бы увидеть колебания волны из-за слишком большой скорости их повторений.
Сигнал, который вы слышите при активации звука на странице, примерно в 100 раз быстрее сигнала на графиках.
Двигайте слайдер частоты, чтобы посмотреть, как меняется форма сигнала и его звучание при разном количестве повторений волны в единицу времени — секунду.
Не забудьте включить звук нажатием клавиши M на клавиатурес помощью регулятора громкости выше — так будет проще понять, как частота и амплитуда колебаний влияют на звук и его форму.
Форма волны — всего лишь схема, упрощающая визуализацию звуковых волн. Изгибы графика показывают смещение молекул воздуха относительно состояния покоя в заданном промежутке времени. Изменение амплитуды делает сигнал громче или тише, а изменение частоты повышает или понижает высоту звука.
2. Как устроен звук
В предыдущей главе мы посмотрели, как работает звук на примере вибрирующей гитарной струны, и узнали, как вибрации влияют на молекулы воздуха. Теперь усложним концепцию, рассмотрев устройство звука более подробно.
Воздух наполнен бесконечным множеством молекул, приходящих в движение под действием внешних возбудителей — различных объектов, находящихся в окружающем нас пространстве. Работа техники, погодные явления, разговоры людей вокруг — всё, что происходит в мире, так или иначе заставляет воздух вибрировать.
Слух работает точно так же: что-то возбуждает воздух и мы слышим движение молекул. К примеру, ваша акустическая система создаёт вибрации, приводящие молекулы воздух в движение. Уши улавливают их, передают информацию в мозг, а тот интерпретирует полученные данные как конкретный звук.
Представьте, что точки на этой сетке — молекулы воздуха:
Внешнее воздействие отклоняет точки-молекулы от исходной позиции вперёд и назад, влево и вправо. Сила отклонения определяется амплитудой, а скорость отклонения — частотой.
Ранее мы говорили, что вибрация молекул представляет собой цепную реакцию: движение первой молекулы заставляет двигаться вторую, движение второй — третью, и так по цепочке. На сетке видно, что вибрации проходят слева направо, однако это не более, чем оптическая иллюзия: молекулы двигаются во все стороны — и справа налево, и слева направо в рамках доступного им поля.
Важно понимать, что молекулы воздуха не свободны: они не летают в пространстве, а живут в его определённых точках, словно привязанные к ним. Внешнее воздействие сдвигает молекулы: они приходят в движение и отклоняются от исходной позиции, а после — изо всех сил стремятся обратно. Туда, где они были в состоянии покоя.
Цепная реакция периодического сигнала не бесконечна. Каждая следующая молекула вибрирует слабее предыдущей, поэтому вибрации постепенно ослабевают, а затем и вовсе прекращаются. Движение происходит в рамках определённого поля действия, величина которого напрямую зависит от силы внешнего воздействия.
Поле действия определяет пространство, в котором мы слышим звук. Его размеры могут составлять как несколько сантиметров, так и десятки километров. За пределами поля звук полностью исчезает.
Представленная выше сетка из точек-молекул и есть это поле.
Поле действия определяет, как далеко распространяется звук. Одни сигналы слышны только рядом с их источником, в то время как другие могут распространяться на целый район или даже город.
К примеру, шум вентиляторов в ноутбуке, вращающихся на 10-20% от максимальной скорости, слышен только в непосредственной близости от устройства. Вентиляторы заставляют молекулы воздуха вибрировать, но сила их воздействия низкая, из-за чего поле действия вибраций получается очень маленьким. В свою очередь, сирена оповещения о чрезвычайных ситуациях слышна во всём городе: она создаёт очень сильные вибрации, распространяющиеся на огромное расстояние.
График звуковой волны снизуслева показывает движение одной молекулы воздуха в пространстве. Мы добавили на него синюю точку, чтобы смещение молекулы было нагляднее.
В реальности вибрирующих молекул оказывается значительно больше, при этом их движение происходит синхронно. Прямо как на сетке ниже:
Как мы уже говорили, график звуковой волны представляет собой визуальное отображение смещения молекул в пространстве в рамках заданного периода времени. Так как их движения синхронны, нет никакого смысла рисовать на нём сотни точек и линий — ту же информацию можно показать всего лишь одной молекулой.
Таким образом, график звуковой волны на примере одной молекулы показывает, как двигаются все молекулы воздуха после начала вибраций.
Используйте слайдер амплитуды и слайдер частоты, чтобы посмотреть, как амплитуда и частота влияют на молекулы воздуха в определённом поле действия (том самом, что представлено парой абзацев выше).
3. Гармоники
До сих пор мы изменяли амплитуду и частоту сигнала, используя одну и ту же форму звуковой волны.
Форма волны напрямую зависит от кривой графика сигнала. Молекулы не обязательно двигаются плавно: в зависимости от внешних условий, маршрут их смещения может быть иным. Вместе с изменением характера движений изменится и волна, которая примет очертания в соответствии с поведением молекул.
Сейчас на графике изображена синусоидальная форма звуковой волны. Синусоида считается фундаментальной формой звука.
Всё дело в её чистоте: в плавных изгибах синусоиды нет «примесей» других частот. Когда мы создаём синусоидальную звуковую волну с частотой 440 Гц, то единственная частота, которую мы слышим — 440 Гц.
Однако иногда в волне появляются «примеси» — дополнительные частоты по всему спектру, сопровождающие оригинальную частоту сигнала. Такие частоты называются гармоники или обертона (от нем. ober — высокий, ton — звук).
Чтобы понять, как устроены гармоники, визуализируем сигнал с помощью гистограммы — графика, в котором данные представлены в виде столбцов. Синусоида на гистограмме примет следующий вид:
Выглядит довольно скучно. Всё дело в уже упомянутой чистоте волны, которая не содержит примесей-гармоник — что видишь, то и слышишь. Волна с частотой 1 Гц производит сигнал с частотой 1 Гц. Ничего лишнего.
Если гистограмма не совсем понятна, поиграйте со слайдерами амплитуды и частоты. Изменение параметров поможет разобраться, как именно выглядит звук на гистограмме.
Треугольная форма звуковой волны
Когда синусоида лишается изгибов, звуковая волна приобретает треугольный вид. Такое поведение обусловлено изменением характера амплитуды: движение молекул лишается плавности, становится более резким. В результате линии на графике соединяются строго по прямой, образуя подобие треугольника.
Чтобы понять, как изменение характера движения сказывается на звучании, включите звук клавишей M на клавиатурес помощью регулятора громкости сверху и прокрутите страницу к предыдущей секции.
Вы наверняка заметили, что треугольная форма волны генерирует более «яркий» сигнал в отличие от синусоиды с её приглушённым звучанием. Причина таких изменений кроется в гармониках.
Гармоники — дополнительные частоты, создаваемые сигналами определённых форм. Чуть ниже мы разберёмся в причинах появления гармоник, а пока посмотрим на «примеси» на гистограмме:
Гармоники всегда кратны основной частоте сигнала. В зависимости от того, на какой частоте звучит исходный сигнал, гармоники появляются в разных частях звукового спектра. Однако принцип их образования всегда следует шаблону:
- Фундаментальная нота (основная частота): 1 Гц.
- Вторая гармоника (основная частота × 2): 2 Гц.
- Третья гармоника (основная частота × 3): 3 Гц.
- Четвёртая гармоника (основная частота × 4): 4 Гц.
- ...и так до бесконечности.
Изменение положения слайдера частоты меняет значения частот в списке выше. Вы можете самостоятельно указать частоту фундаментальной ноты, чтобы посмотреть, на каких частотах располагаются её гармоники.
Треугольная форма звуковой волны обладает только нечётными гармониками.
Помимо основной ноты в неё входят третья, пятая, седьмая и другие нечётные обертона.
Гармоники ослабевают по мере удаления от основной частоты. Более близкие к основному тону обертона проявляются сильнее, более дальние — слабее.
Прямоугольная форма звуковой волны
Прямоугольная звуковая волна — самая «экстремальная» из всех периодических форм звука. Её движение грубое и резкое: молекулы быстро перескакивают между максимально положительными и максимально отрицательными значениями отклонения.
Прямоугольная волна является бинарной волной: значения отклонения строго определены — либо +1, либо −1.
Так как нулевое значение амплитуды не участвует в формировании волны, образуется парадокс: у молекул воздуха нет состояния покоя.
Как и треугольная форма, прямоугольная звуковая волна обладает только нечётными гармониками. Разница лишь в том, что по мере удаления от основной частоты обертона прямоугольной формы звука ослабевают не так активно. Посмотрите на гистограмму ниже и сравните, насколько громче звучат гармоники прямоугольной волны:
Это также хорошо заметно в звуке: в сравнении с треугольной волной, сигнал прямоугольной формы звучит намного ярче.
В отличие от двух предыдущих форм, идеальная прямоугольная волна невозможна. Она не встречается в природе, поэтому всё, что мы можем — это лишь приблизительно смоделировать её. Как вы думаете, почему идеального прямоугольного сигнала не существует?
Пилообразная форма звуковой волны
Пилообразная форма звуковой волны получила своё название за счёт схожести с зубьями на полотне пилы. Форма объединяет линейный постепенный подъём треугольной волны с резким падением прямоугольной. При таком поведении молекулы воздуха постепенно отклоняются вперёд к положительным значениям, а затем быстро «отскакивают» назад к отрицательным.
Поведение молекул воздуха при пилообразном движении напоминает процесс распила дерева. Сначала мы плавно двигаем полотно вперёд, а затем резко подаём его назад. В результате получается максимально яркий звук, превосходящий по своим характеристикам как треугольную, так и прямоугольную формы.
Если же возвращаться к гармоникам, то пилообразная форма сигнала содержит дополнительные частоты на каждом шаге — чётном и нечётном.
4. Аддитивный синтез
В предыдущей главе мы узнали, что разные формы волны обладают разными гармониками. Однако остаётся неясным, почему так происходит. К примеру, почему прямоугольная звуковая волна имеет дополнительные тона, если она колеблется на какой-то конкретной частоте?
Давайте откроем «удивительную» правду о звуковых волнах: любая волна может быть создана простым наложением нескольких синусоидальных волн друг на друга.
На первый взгляд утверждение кажется бессмысленным. Каким образом комбинация простых и плавных синусоид способна давать совершенно новые, более сложные формы звука? Ответ на этот вопрос кроется в том, как работает сложение сигналов.
Сейчас на графике изображены две волны:
- с частотой 1 Гц при амплитуде 1;
- с частотой 3 Гц при амплитуде 0,33.
Как видите, вторая волна (розового цвета) в три раза быстрее первой.
Если вы когда-нибудь пользовались программами для записи и редактирования аудио, то видели, что песня всегда представляет собой единую звуковую волну. Вне зависимости от того, сколько инструментов участвует в аранжировке и насколько насыщенная музыка звучит, песня всегда выглядит как единое целое.
То, что сейчас мы видим на графике, — не более, чем два независимых сигнала. Чтобы получить из них единую звуковую волну, нужно объединить обе линии так, чтобы они стали единым целым.
Объединение нескольких сигналов синусоидальной формы называется сложением звуковых волн.
Мы уже знаем, что звук — это вибрации молекул воздуха. Когда мы извлекаем два разных звука, каждый из них заставляет воздух вибрировать, но по-своему. Это похоже на перетягивание каната: два человека одновременно тянут верёвку с разных сторон, из-за чего её перемещение становится результатом усилий обоих людей.
Чтобы получить итоговый сигнал, нам нужно «сложить» две формы волны между собой. Но как именно работает сложение звуковых волн?
В основе процесса лежит простая арифметика. Представьте, что график звуковой волны — это набор отдельных точек в пространстве. К каждой точке мы можем добавить дополнительные отметки, определяющие значения смещения основной точки. Получившийся набор отметок становится новой звуковой волной.
Используйте слайдер схождения, чтобы посмотреть, как две линии графика добавляются друг к другу.
Обратите внимание, что при полном сдвиге слайдера вправо общая линия графика приобретает прямоугольные очертания.
Напомним, что для нашего графика мы выбрали такие исходные данные:
- Волна с частотой 1 Гц при амплитуде 1;
- Волна с частотой 3 Гц при амплитуде 0,33.
Как вы думаете, откуда взялись эти значения?
Для получения этих данных мы просто реконструировали прямоугольную звуковую волну. Вспомните гистограмму, использовавшуюся для визуализации гармоник прямогольной формы звука:
Волны на графике — два первых столбца гистограммы. Синяя линия графика показывает значения в первом столбце гистограммы (1 Гц при амплитуде 1), розовая отображает данные из второго столбца — третью гармонику основного тона (3 Гц при амплитуде 0,33).
Чем больше гармоник участвует в формировании сигнала, тем активнее волна приобретает прямоугольную форму. Используйте появившийся на экране слайдер числа гармоник, чтобы изменить число обертонов и посмотреть, как это повлияет на схождение линий-волн.
Фаза
Сложение волн не всегда делает итоговый звук громче. Напротив, в некоторых ситуациях оно не изменяет сигнал или вовсе его устраняет.
В этот момент проявляется ещё одно важное свойство звуковых волн — фаза (англ. phase).
Если упрощать, то фаза — это величина смещения (отклонения) волны, измеряемая в градусах. Смещение вызывает задержку в движении молекул.
Мы уже отмечали, что молекулы воздуха не летают вокруг нас, а находятся в определённых точках пространства. Внешнее воздействие заставляет их двигаться вперёд и назад. Однако бывают ситуации, когда молекула отклоняется от своей исходной позиции на некоторое количество градусов. По этой причине её движение начинается раньше или позже положенного времени.
К примеру, если волна смещается по фазе на 180 градусов, её движение задерживается на 50%. В нормальных условиях волна с амплитудой 1 должна прямо сейчас оказаться в положении +1, однако смещение фазы задерживает её — волна оказывается на отметке −1.
Мы обновили волновой график, чтобы показать две идентичные волны, обладающие одинаковой амплитудой и частотой. Вместе с этим к графику добавился слайдер фазы, демонстрирующий её влияние на движение одной волны относительно другой.
Используйте слайдер схождения, чтобы увидеть, как отклонение волны влияет на громкость итогового сигнала.
Фазовые сдвиги лежат в основе системы шумоподавления в наушниках. Микрофоны в чашах записывают окружающие шумы, отклоняют фазу сигнала на 180 градусов, а затем смешивают развёрнутую волну с оригиналом. В результате происходит подавление исходного звука: развёрнутая на 180 градусов синусоида, наложившись на оригинальную неразвёрнутую версию самой себя, образует тишину.
Сдвиньте слайдер фазы на отметку 180, чтобы посмотреть, как в таком случае выглядят волны. Обратите внимание, что сигнал на странице прекратится.
Причина такого поведения сигнала заключается в наложении плюса на минус: волна с амплитудой −1 накладывается на волну с амплитудой +1, что в результате даёт волну с амплитудой 0. Простое уравнение: −1 + 1 = 0.
Процесс шумоподавления в наушниках не совершенен — характер реального шума не так прост, как синусоидальная звуковая волна. Шум может быть неоднородным, что создаёт определённые проблемы для «шумодава».
К тому же в дело вмешивается задержка между записью поступающего шума и наложением развёрнутой звуковой волны. Системе требуется некоторое время на то, чтобы записать шум, развернуть его на 180 градусов и наложить развёрнутую версию на оригинал. По этой причине шумоподавление лучше работает с низкочастотным и более медленным сигналом — например, шумом метро, стройки, дороги.
Более подробно о работе системы шумоподавления читайте в этой статье на SAMESOUND.
Аккорды
Сложение звуковых волн можно рассмотреть через призму музыки. Когда мы берём аккорд на пианино или гитаре, мы складываем между собой несколько звуковых волн. Если аккорд состоит из трёх звуков, происходит сложение трёх волн, если в аккорд входят пять нот, то в сложении участвуют пять волн.
Ноты в аккордах сочетаются между собой не просто так. Все они так или иначе кратны основной частоте — основному тону аккорда.
К примеру, аккорд До мажор (ноты До, Ми и Соль) представляет собой сложение трёх синусоидальных волн:
Фундаментальная правда о звуке состоит в том, что существуют всего две переменные: время и смещение. Мы можем создать любой звук простым вытеснением молекул воздуха, заставив их оказаться в нужное время в нужном месте.
Связанные с определёнными формами сигнала гармоники и необходимые для образования аккордов дополнительные волны — всего лишь математика. С её помощью мы определяем правильное смещение молекул в заданном промежутке времени и, таким образом, генерируем желаемый звук.
Заключение
Подведём итоги.
Звуковая волна представляет собой вибрацию молекул воздуха. Форма волны описывает перемещение молекул в пространстве в заданном промежутке времени.
Амплитуда показывает, как сильно смещаются молекулы воздуха относительно своей исходной позиции. Чем выше амплитуда, тем сильнее смещение. Человек воспринимает амплитуду как громкость: увеличение смещения создаёт ощущение повышения громкости сигнала.
Самые распространённые формы звуковой волны — синусоидальная, треугольная, прямоугольная и пилообразная.
Четыре основные волны являются периодическими. Для получения постоянного звукового сигнала они повторяются в определённом промежутке времени. Повторения напрямую связаны с высотой звука: чем чаще повторяется волна в единицу времени, тем выше звук, который мы слышим.
Разные формы волны обладают разными гармониками. Гармоники представляют собой дополнительные частоты, участвующие в создании звуковой волны. Синусоидальная форма волны уникальна из-за своей чистоты: в её составе нет дополнительных частот. По этой причине синусоида считается фундаментальной формой звука.
Чтобы понять причины наличия гармоник в сигнале, нужно посмотреть на проблему с другой стороны. Поскольку синусоида является фундаментальной формой звука, его можно использовать для получения других видов сигнала. Для этого необходимо добавить к исходной волне дополнительные синусоидальные сигналы с другой амплитудой.
Прямоугольную волну можно рассматривать как наложение бесконечного множества синусоидальных волн с разной частотой и амплитудой. Однако прямоугольная волна не встречается в природе из-за характера движения молекул воздуха. Молекулы не способны телепортироваться из точки «A» в точку «B», но могут двигаться с очень высокой скоростью.
🎉
Кто молодец? Ты — молодец!
Ты дошёл до конца и разобрался в основах звука!
Спасибо, что изучил этот гид! Надеемся, он оказался полезным и познавательным. Будет круто, если вы поделитесь им в соцсетях:
Гид вдохновлён наглядным введением в машинное обучение за авторством R2D3. Проект создан на React. Исходный код выложен на GitHub.