信号处理入门1(信号基础)(TODO)

1 概念

信号的概念包括了声音物理特性、周期与非周期、谐波、采样定理、量化。主要就是描述什么是信号,什么是波形。

2 声音

从物理本质上来说,声音就是一种由于物体振动引起的"压力波"。

当物体(如声带或鼓面)振动时,它会不断挤压和拉伸周围的介质(空气、水或固体),形成疏密相间的机械波向四周扩散;当这种压力的波动传到你的耳膜并引起同样的振动时,大脑就会将其解析为声音。所以,声音既是能量的传递,也是一种信息的波动,而在没有介质的真空(如宇宙空间)里,无论振动多剧烈,声音都无法存在。

频率

用一个场景说明:

当你听到一个 1kHz(每秒振动 1000 次)的正弦音时:

源头: 喇叭纸盆每秒前后推拉 1000 次。

介质: 紧贴喇叭的空气分子被推挤,然后撞击邻近的分子,每一个分子都在自己的平衡位置附近每秒来回摆动 1000 次。

接收: 你的耳膜被这些分子撞击,也跟着每秒振动 1000 次。

所以,声音的频率 = 介质分子往复运动的频率。

下面是不同声音的频率表

振幅

振幅是指上面第一个图空气分子离轴的距离,振幅的单位是 "分贝(dB)"

常见的音量:

  • 0dB,几乎静寂
  • 40 ~ 50 dB,普通房间的本底噪声
  • 50 ~ 60 dB,窃窃私语
  • 60 ~ 75 dB,正常谈话
  • 80 ~ 85 dB,最优秀的监听音量
  • 90 dB,工厂车间噪声,长时间暴露在此音量中有损听力
  • 100 dB,婴儿啼哭
  • 110 dB,割草机工作噪声、车辆鸣笛
  • 120 dB,人类听感痛阈,有损听力
  • 140 dB,鼓槌从距离鼓皮 1 米处落下,强击军鼓
  • 150 ~ 160 dB,喷气式飞机发动机噪声

相位

相位指的是波形上的某质点随波做周期运动时,在某瞬间所处的位置。它与频率有一定关系。

同相的两列波相遇时,振幅会叠加,音量提升;而两列波反相相遇时,相互会相互抵消,振幅衰减,使声音消失。这一个概念在现代设备中广泛使用,例如降噪耳机,或者车辆的消音器。

波长

波长就只和声速频率有关,声速固定,所以波长就之和频率相关了。。

谐波(音色的基础)

音符的丰满度和声音特点由谐波决定,我们常说,谐波决定音色。乐器的每一个音符,都有它的基本频率,即基波。而谐波,则是与基波 "混合" 在一起的。

基波就是纯的简谐波,但大多数声音除了基波之外,还包含更多频率。在音乐里,乐器的音色由基波和这种乐器独有的谐波组合而成。这也就是为什么各种乐器在弹奏同一个音符时,却有着不同的听感。音色柔滑的乐器,如长笛,由它演奏的音符的基波所激发的谐波要少一些,这使得基波本身听上去更为明显。音色更具棱角的乐器,如小号,声音中暗含更多谐波,而其基波就显得不那么突出了。

谐波的计算也非常简单。例如你在演奏低音提琴上的低音 E,这个音符的基波大约是 41 Hz,通过把这个数字简单地乘以2、3、或者 4 等,我们就可以简单的算出几个谐波频率:82Hz,2次谐波;123Hz,3次谐波;164Hz,4次谐波。

所有的乐器(声管、琴弦、板材)本质上都是一个滤波器。它们只允许那些能"站得住脚"的频率存在。钢琴的弦、小提琴的丝、甚至你说话的声道,其物理尺寸决定了它们只能承载基波及其整数倍的振动。只有像钟、锣或者鼓这种不规则形状的打击乐器,会产生非整数倍的成分(泛音),所以它们的听感总是"空灵"或者"嘈杂"的,不像钢琴那样有明确的音高。

不同谐波下的声音波形:

而音色的最终构成,除了谐波,还有:

谐波的种类和强弱(最核心)

包络(Attack / Decay / Sustain / Release)

噪声成分(气声、擦弦声)

非整数倍频(非谐波)

声音的数字化

采样是在接收的ADC端进行采样,实际对应的是传播的能量的变化,对应的就是传感器的电压变化。这个也就是时域。

3 时域和频域

在信号处理中,有个经常出现的概念就是时域和频域。

时域就是"信号随时间的变化"。就像示波器上的波形。横轴是时间,纵轴是电压(或者振幅)。

频域,频域就是"信号由哪些频率组成"。同样是那段乐曲,频域图像告诉你:里面有一个 100Hz 的大鼓在咚咚响,还有一个 5000Hz 的小提琴在拉。

时域和频域,一个最形象的类比:奶昔与配方

时域就是"奶昔": 拿在手里是一杯混合物。你喝了一口(采样),知道它现在是甜的还是酸的,但你看不清里面到底加了多少草莓、多少香蕉。

频域就是"配方": 它把奶昔拆开了。它告诉你:这杯东西 = 2 颗草莓 + 1 根香蕉 + 500 毫升牛奶。

还有一个例子就是二进制和源代码。

时域约等于二进制(执行层),频域约等于源代码(逻辑层),在这里,FFT(快速傅里叶变换): 相当于编译。把杂乱无章的二进制(时域波形)还原成清晰可见的源代码(频率成分)。IFFT(逆变换): 相当于编译。当你改好了源代码(调整好了频率),你得把它重新编译成二进制(时域信号),音箱才能读懂并播放出来。

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