Właściwości dźwięku

Parametry dźwiękuCzęstotliwość – wysokośćNatężenie – głośnośćWidmo - barwa

DźwiękDźwięk to zaburzenie falowe ośrodka sprężystego (takiego jak powietrze, woda, metal), wywołujące wrażenia słuchowe.

Częstotliwość drgańCzęstotliwość – to zaburzenie sprężystości środowiska powoduje naprzemiennie zagęszczenie i rozrzedzenie jego cząsteczek (zmiany ciśnienia) w określonym rytmie. Liczba tych powtórzeń w jednostce czasu to częstotliwość.

Jednostką częstotliwości jest herc Hz – jeden cykl na sekundę.

Okres to czas potrzebny na wykonanie pełnego cyklu i jest mierzony w sekundach.

Częstotliwość drgań

Długość fali dźwiękowej jest silnie związana z częstotliwością i określa drogę, jaką pokonuje fala akustyczna w ciągu jednego cyklu:

Wysokość dźwięku

Jest to cecha subiektywna, pozwalająca rozróżnić dźwięki o różnej częstotliwości.

dźwięki niskie – to drgania z przedziału 16-300 Hzdźwięki wysokie - to drgania z przedziału 3000 Hz do 20 kHzUcho ludzkie najczulej reaguje na dźwięki średnie (300-3000 Hz)

Zdolność rozpoznawania wysokości dźwięku zależna jest od jego czasu trwania.

Również od częstotliwości jest uzależniona zdolność rozpoznawania zmian w wysokości dźwięku.

Częstotliwość drgań

Interwały wyrażają wzajemny stosunek częstotliwości dwóch współbrzmiących lub następujących po sobie dźwięków.

Natężenie dźwięku

Energia dźwięku rozprzestrzenia się wraz z „czołem” fali akustycznej, powodując chwilowe wzrosty i spadki ciśnienia atmosferycznego (zagęszczenia i rozrzedzenia sprężystego środowiska). Owe różnice, zwane są ciśnieniem akustycznym.

Natężenie dźwięku jest ściśle związane z ciśnieniem akustycznym i określają energię „czoła” fali, przepływającej przez określoną powierzchnię.

Próg słyszenia – to natężenie, przy którym człowiek zaczyna słyszeć i jest to 0 dB.

Granica bólu - 130 dB

Sposób zapisu dźwiękuDigitalizacja - zmiana sygnału z postaci analogowej na cyfrową. Próbkowanie

To pierwszy etap digitalizacji. Polega ono na pobieraniu z sygnału analogowego, w ustalonych odstępach czasu amplitudy sygnału, tzw. próbek i mierzeniu ich poziomu. Wynik poddaje się kwantyzacji, czyli przypisaniu wartości zmierzonym poziomom dźwięku.

Próbkowanie sygnału analogowego

Częstotliwość próbkowania

W układzie dwójkowym wykorzystuje się cyfry zero i jedynkę. Z pomocą dwóch bitów można przedstawić cztery stany:00 = 0 01 = 1 10 = 2 11 = 3Dodanie kolejnego bitu zwiększa możliwość odwzorowania do ośmiu itd.

Odtworzony sygnał

Drugi etap to przekształcenie sygnału impulsowego o zmiennej amplitudzie na sygnał dwójkowy. Zmiany sygnału analogowego na postać binarną dokonuje konwerter analogowo-cyfrowy.

Im więcej bitów, tym dokładniej można oddać zmiany amplitudy i wierniej zapisany dźwięk, ale i coraz większa waga pliku, w którym został on zapisany.

Częstotliwość próbkowania

Im częściej pobrana zostanie próbka dźwięku (im wyższa będzie częstotliwość próbkowania), tym dźwięk zostanie wierniej zreprodukowany w postaci cyfrowej.

Częstotliwość próbkowania – liczba próbek wykonanych w ciągu jednej sekundy. Im większa częstotliwość próbkowania, tym wierniejszy zapis dźwięku.

Próbkowanie z częstotliwością 1 kHz

Rozdzielczość próbkowania

Rozdzielczość próbkowania to ilość bajtów jaką zajmie informacja o wartości uzyskanej w wyniku pojedynczego próbkowania.

Im większa częstotliwość próbkowania, tym większy rozmiar będzie miał plik, w którym dźwięk zostanie zapisany. Zbyt małym częstotliwościom próbkowania może towarzyszyć niepożądane zjawisko – aliasing.

Przeliczanie rozdzielczości próbkowania

Aby przeliczyć, jaki będzie rozmiar pliku z zapisanym cyfrowo dźwiękiem, musimy wiedzieć, ile bajtów zajmie informacja o wartości uzyskanej w wyniku pojedynczego próbkowania, czyli rozdzielczość próbkowania

Przy zapisie standardowej płyty CD wartość zapisywana jest w 16 bitach.

Zapis jednej sekundy dźwięku na płycie CD przy częstotliwości próbkowania 44,1 kHz wyniesie:

44100 Hz * 2 B = 88200 BMinuta zapisu to 88200 B * 60 = 5292000 B = 5,05 MB

16 [b] = 2 [B]

Wartość 5,05 MB musimy jeszcze przemnożyć przez dwa, gdy zapisujemy muzykę dwukanałowo w systemie stereo.

Widmo dźwiękuKażdy dźwięk muzyczny (dowolnie złożony, okresowy przebieg akustyczny) można przedstawić jako kombinację tonów sinusoidalnych o różnej częstotliwości i amplitudzie. Najniższa częstotliwość tak złożonej fali nazywana jest częstotliwością podstawową ona właśnie określa wysokość dźwięku.Wyższe składowe - przytony - decydują o jego unikatowym brzmieniu, pozwalającym rozróżnić dźwięki tej samej wysokości grane na różnych instrumentach.

Widmo dźwięku

Widmo prążkowe Spektogram

Widmo ciągłe

Barwa dźwięku

Proces identyfikowania barwy wiąże się z pojęciem transjentów tj. przejściowych stanów poprzedzających lub kończących dźwięk, kiedy to każda ze składowych – zanim osiągnie w miarę stały poziom – narasta z różną intensywnością. Długo brzmiące, jednakowe pod względem wysokości i niezmienne w głośności dźwięki różnych instrumentów, zaczynają być oceniane błędnie.

Najpoważniejszą przeszkodę w wiernym odtworzeniu barwy stanowią mechaniczna (mikrofon, głośnik) i elektryczna (pojemność i indukcyjność układów elektronicznych) „bezwładność” aparatury audio.

Barwa dźwięku zależy też od głośności. Im cichsze dźwięki, tym węższy zakres słyszenia i inne odczucie barwy.

Barwa dźwięku

Bardzo wysoki poziom głośności wyzwala mechanizm obronny. Ucho adaptuje się do takiego sygnału, zmniejszając czułość. W wyniku zmęczenia przeciążone komórki słuchowe pozornie redukują bodziec. Jednak sam dźwięk, a dokładniej jego najsilniejsze składowe ulegają zniekształceniu. Objawia się to powstaniem dodatkowych tonów czyli wszelkich możliwych sum i różnic wszystkich składowych dźwięku.

Jeżeli taki bodziec trwa za długo lub pojawia się zbyt często to może to doprowadzić do upośledzenia słyszenia, a nawet głuchoty.