WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Физическое образование в ВУЗах. Т. 8, № 4, 2002 1 Получение и демонстрация осциллошрамм и спектров звуковых сигналов с помощью звуковой карты и быстрого преобразования Фурье Н.М. Нагорский, М.В. Семенов, А.А. Якута Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова 119992, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, КОФ nmn@genphys.phys.msu.su В работе описывается новая компьютерная демонстрационная установка «Спектрограф», позволяющая показывать во время лекции осциллограммы и спектры различных звуковых сигналов, получаемых как из звуковых файлов, так и с микрофона. Поясняется принцип работы программного обеспечения.

Приводятся примеры осциллограмм и спектров.

При чтении раздела «Механика» курса общей физики в разделе «Акусти ка» обсуждаются различные характеристики звука, а также вводится понятие ча стотного спектра периодической функции времени применительно к анализу зву ковых сигналов (напр., [1]). При этом обычно показываются классические лекци онные демонстрации (анализ звуковых колебаний с помощью электронного ос циллографа и др. – см., напр., [2]). Однако, для лучшего усвоения данного матери ала студентами полезно предоставить им возможность и слухового, и визуального восприятия информации, одновременно демонстрируя осциллограммы и спект ры разных звуков: человеческого голоса, гамм, исполняемых на всевозможных музыкальных инструментах, а также различных мелодий.

С этой целью нами была разработана новая демонстрационная установка, состоящая из компьютера типа IBM PC со звуковой картой, микрофона, актив ных колонок и соответствующего программного обеспечения.

Для обработки сигналов, управления установкой и демонстрации результа тов была написана специальная компьютерная программа, – мы назвали ее «Спек трограф», – работающая в операционной системе Windows. Звуковые данные она получает подобно стандартным звукозаписывающим программам для Windows, используя звуковую карту. Это позволяет направить на вход программы звуковой поток с любого устройства, поддерживаемого звуковой картой (например, с мик рофона), а также смешивать звуки, поступающие с различных устройств. Настрой ка входа производится с помощью любого микшера Windows; это может быть, на пример, входящая в состав операционной системы стандартная программа «Регу лятор громкости» (файл «Sndvol32.exe» в домашней директории Windows), кото рая позволяет регулировать громкость, уровень записи, устанавливать для записи..,..,..

различные устройства (рис. 1). В частности, если установить для записи устрой ство «Mixed Output», то на вход «Спектрографа» будет поступать такой же звуко вой поток, какой идет с выхода звуковой карты. Это позволяет получать и обраба тывать данные, содержащиеся в различных звуковых файлах, в том числе и в фай лах формата MIDI.

. Windows « ».

MIDI – это международный стандарт команд для синтеза звука [3], т. е. в файле MIDI хранятся не сами звуковые данные, а команды, управляющие их син тезом. Фактически MIDI представляет собой запись музыкальных нот, по кото рым компьютер синтезирует звук. Качество и конкретная реализация такого син теза зависят от типа звуковой карты, так же, как качество звучания музыкального произведения зависит от того, какой оркестр его играет. Кроме обычных музы кальных инструментов, MIDI содержит большое количество всевозможных син тезированных звуков (их принято называть «тембрами»), таких, как звук от выст рела, телефонный звонок, шум моря и т. п. Набор из 128 основных тембров и фор мат данных одинаковы для всех систем синтеза звука, соответствующих стандар ту MIDI, подобно тому, как нотная запись одинакова для всех музыкантов.

«Спектрограф» включает в себя встроенный интерфейс, дающий возмож ность проигрывать гаммы с использованием различных тембров. Рабочий экран «Спектрографа» состоит из панели управления и двух окон, в которых выводятся спектр и осциллограмма звучащего сигнала (рис. 2). Инструмент, на котором бу дет проигрываться гамма, можно выбрать из выпадающего списка. Скорость про игрывания можно варьировать, изменяя числовой параметр в окне с соответству ющим названием. Для начала проигрывания служит кнопка («Play»). При ее на жатии «Спектрограф» создает. «».

необходимый ему для работы MIDI файл, соответствующий выбранному инструменту, после чего запускает его воспроизведение. Проигрыватель звуковых файлов, встроенный в программу, позволяет проводить все стандартные манипу ляции со звуковыми данными – запускать и останавливать воспроизведение, про изводить перемотку. Во время воспроизведения, если в программе «Регулятор громкости» установлено устройство записи «Mixed Output», «Спектрограф» од новременно выводит на экран спектр проигрываемого сигнала и его осциллограм му. Для удобства показа в программе предусмотрена возможность масштабирова ния выводимых графических данных, которая осуществляется при нажатии кно пок в нижней части экрана. Кроме того, панель управления содержит кнопку («Pause»), при нажатии которой воспроизведение звука приостанавливается, и в соответствующих окнах отображаются спектр и осциллограмма сигнала, зафик сированные в момент нажатия кнопки. Это позволяет лучше рассмотреть графи ки и дать соответствующие пояснения. Программа также позволяет сохранять получаемые таким образом на экране графики в файл для их дальнейшей распе чатки на принтере. Это дает возможность при дефиците лекционного времени заб лаговременно, перед началом лекции, получать осциллограммы и спектры выб ранных для показа сигналов, запоминать их, после чего демонстрировать на лекции как «настоящие» спектры, сопровождаемые звуком, так и полученные рисунки.

Помимо проигрывания звуковых файлов, «Спектрограф» дает возможность анализировать различные реальные звуки при помощи подключенного ко входу звуковой карты микрофона. Это позволяет, в частности, наблюдать спектры зву ков разговорной речи. В качестве примеров на рисунках 3 и 4 приведены получен ные с помощью «Спектрографа» спектры гласных звуков «а» и «и».

. «».

. «».

Из рисунков видно, что спектр звука «и» содержит только одну заметную гармонику, тогда как в спектре звука «а» наблюдается несколько гармоник (ос новной тон и три обертона).

Кратко остановимся на принципе работы программы. Обработка звуковых сигналов производится с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) с про реживанием во времени [4]. Это позволяет проводить демонстрацию в реальном масштабе времени, получая высокое спектральное разрешение (~10 Гц при работе в диапазоне от 20 Гц до 4000 Гц). Высокая точность получения спектра обеспечи вается использованием при БПФ достаточно большого отрезка времени (~0,секунды при частоте дискретизации 8 кГц) и применением в программе специаль но разработанного алгоритма, особенностью которого является то, что БПФ для изучаемого сигнала осуществляется дважды. Оба раза в качестве функции окон ного сглаживания используется Гауссова функция вида W(i)=Aexp{ (i/(n 1) 1/ 2)2S}, где n число временных отсчетов, i номер текущего отсчета. При преобра зовании используются значения параметров А=3 и S=5,3, во втором А=5 и S=100.

..,..,..

Таким образом, при первом преобразовании сглаживание практически не делает ся, что позволяет получить максимальное для данного метода спектральное раз решение, но ухудшает точность определения амплитуд гармоник. Во второй раз используется оконная функция с очень резко спадающими «краями», что дает высокую точность определения амплитуд. Затем в спектре, полученном при вто ром преобразовании, обнуляются амплитуды, соответствующие частотам, резуль тат первого преобразования для которых оказался ниже определенного уров ня (1% от максимума). Такой подход позволяет получать максимальное спект ральное разрешение при высокой точности определения амплитуд гармоник.

В заключение следует отметить, что программа «Спектрограф» отвечает требованиям универсальности и простоты использования. Она работает на базе повсеместно распространенной операционной системы Windows (версий от 95 и выше), использует только ее стандартные функции и не требует инсталляции и сложной предварительной настройки. Это позволяет без изменений переносить нашу программу на любой компьютер, снабженный звуковой картой и колонками – для начала работы достаточно скопировать исполняемый файл «Спектрогра фа» на жесткий диск компьютера. При использовании «Спектрографа» следует лишь иметь в виду, что звуковая карта дает на своем выходе сигнал, предназначен ный для прослушивания через наушники или маломощные пассивные колонки.

Поэтому при работе в больших лекционных аудиториях необходимо применять активные колонки или другую усилительную аппаратуру.

В дальнейшем авторы планируют расширить возможности описанной де монстрационной установки, добавив дополнительные функции синтеза звуков, а именно: синтез сигналов из различного числа синусоид с близкими эквидистант ными частотами (модельная демонстрация для раздела «Оптика» курса общей физики), а также синтез двух и более сигналов, имеющих регулируемый сдвиг по фазе – для демонстрации бинаурального эффекта и показа независимости спект ра и слышимости звука от фаз его отдельных гармоник при заметном изменении ос циллограммы сигнала. В настоящее время ведутся соответствующие разработки.

Литература 1. Алешкевич В.А., Деденко Л.Г., Караваев В.А. Колебания и волны. Лекции. (Университетский курс общей физики). М.: Изд во физического факультета МГУ, 2001.

2. Лекционные демонстрации по физике (под ред. В.И. Ивероновой), изд. 2 е. М.: «Наука», 1972, гл. 10.

3. Интернет: http://sources.codenet.ru/index.phppath=formtfil/h m











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.