 Очень часто люди употребляют такие вроде бы понятные термины, как спектр, фаза, частота и прочие. Но зачастую мы до конца не понимаем, что же это на самом деле такое. Что значат эти термины на самом деле, как можно "пощупать" их истинное значение? Можно пойти в библиотеку и почитать там книги по теории радиотехники и цифровой обработке сигналов, но времени постоянно не хватает даже на более важные дела. Поэтому автор попытался дать читателю выжимки из радиотехнических учебников, объясненные "на пальцах" и самый минимум формул .
Волновая форма сигнала (звука). Период. Частота
Что такое звук? Это переменное звуковое (воздушное) давление на барабанную перепонку. Ухо воспринимает как звук только изменение давления. Когда звучит отдельная нота давление периодически то нарастает, то убывает и этот процесс циклически повторяется.
Период (T, сек) - длительность этого цикла.
Частота (f, Гц, Герц) - количество периодов, помещающихся в одной секунде. 1 Герц - это 1 период за секунду.
f = 1 / T (формула частоты)
Причем закон (форма) изменения звукового давления не изменяется от периода к периоду.
Если у нас звучит мелодия, то волны, порождаемые разными нотами (которые то появляются, то исчезают), складываются друг с другом в общую волну, которая уже не имеет периода (цикла повтора).
А что же такое шум?
Шум - это сигнал (волновая форма не имеет периода), который в любой момент времени имеет случайное значение звукового давления. Шум не имеет периода.
Звук, как известно распространяется с задержкой, которая зависит от расстояния от источника до человеческого уха. Как это происходит?
Длина волны
Механические колебания источника звука (музыкального инструмента или динамика колонки) сжимают/разрежают (выталкивают/притягивают) воздух около себя. Сжатый воздух начинает расширятся прочь от источника звука, сжимая в свою очередь соседнюю воздушную область. Таким образом область сжатого воздуха путешествует от источника звука к уху.
Расстояние, которое эта область сжатого звука пройдет за секунду называется длиной звуковой волны.
L = M / f (формула длины волны),
где
L - длина волны в метрах;
M - скорость звука (331,46 м/с) в метрах в секунду;
f - частота звука в Герцах.
Длина волны для:
20 Гц L20 = (331,46 м/с) / (20 Гц) = 16,5 м.
100 Гц L100 = (331,46 м/с) / (100 Гц) = 3,3 м.
1000 Гц L1000 = (331,46 м/с) / (1000 Гц) = 0,33 м = 33 см.
10000 Гц L10000 = (331,46 м/с) / (10000 Гц) = 0,033 м = 3,3 см.
20000 Гц L10000 = (331,46 м/с) / (20000 Гц) = 0,017 м = 1,7 см.
Чтобы "надавить" на ухо, область сжатого звука должна затратить некоторое время, чтобы пройти путь от музыкального инструмента до уха. Этим и объясняется задержка звука.
Расстояние вносит задержку распространения звука не зависящую от частоты, так как скорость звука на разных частотах одинакова.
Dt = l / M (формула задержки распространения звука),
где
Dt - задержка в секундах;
l - расстояние в метрах;
M - скорость звука (331,46 м/с) в метрах в секунду.
1 метр вносит задержку распространения звука
Dt= (1 м) / (331,46 м/с) = 0,003 секунды или 3 миллисекунды (мс).
Это продолжение первой статьи из серии "Физические основы звука", посвященной объяснению основ физических процессов, с которыми приходится сталкиваться музыкантам и просто любителям музыки. Материал дается языком, доступным для людей далеких от техники и сегодня мы рассмотрим фазу сигнала и фазовый сдвиг.
Мы вплотную подошли к тому, чтобы рассказать, что же такое фаза.
Посмотрим на формулу, описывающую синусоидальное колебание:
S(t)=Amp*sin(Ф),
где S(t) – это значение сигнала (уровень звукового давления, величина семпла,
уровень напряжения на входе колонок) в момент времени t;
Amp – амплитуда сигнала (максимально возможное значение для этого колебания);
sin – синусоидальная функция.
Ф - фаза сигнала равна:
Ф=2*PI*f+ф/360*2*PI
PI – число «пи»;
f – частота (высота тона) сигнала в Герцах;
ф – сдвиг фазы сигнала в градусах.
Фаза в течении периода колебания меняется от 0 до 360 градусов. Потом опять – от 0 до 360, и так далее. Поскольку фаза однозначно связана с уровнем колебания в точке периода, соответствующего фазе, то:
Фазу, с некоторым допущением, можно рассматривать, как мгновенный уровень сигнала в определенной точке времени внутри периода.
При значении фазы 0 градусов – уровень сигнала (синусоиды) равен 0.
При значении фазы 90 градусов – 1 Па.
При значении фазы 180 градусов – снова 1 Па.
При значении фазы 360 градусов (все равно, что 0 градусов следующего периода) – снова 0 Па.
С течением времени уровень сигнала изменяется по определенному закону, поэтому грубо можно сказать и так:
ФАЗА СИГНАЛА – это уровень сигнала в текущий момент времени.
или
ФАЗА СИГНАЛА – это уровень звукового давления в текущий момент времени в нашей точке пространства.
Теперь о том, как такое виртуальное понятие, как ФАЗА СИГНАЛА влияет на реальную жизнь.
Допустим две колонки порождают в точке нахождения слушателя переменные звуковые давления, которые складываются друг с другом. Эти давления то нарастают, то убывают. А если мы предположим, что давления от обоих колонок изменяются одинаково, но всегда в противоположную сторону. То есть,
давление от первой колонки 0,5 Па (паскалей), а от второй минус 0,5 Па,
от первой минус 1 Па, от второй 1 Па.
Такое явление называется противофазой. Суммарная громкость звука в точке слушателя – всегда равна нулю.
Что же такое противофаза по формуле синусоидального колебания?
S(t)=Amp*sin(2*PI*f+ф/360*2*PI)
Это когда в одной колонке сигнал изменяется по формуле
S(t)=Amp*sin(2*PI*f+0), фазовый сдвиг ф=0 градусов.
А в другой колонке сигнал изменяется по формуле (сигналы по форме одинаковые, но с задержкой по времени)
S(t)=Amp*sin(2*PI*f+180/360*2*PI), фазовый сдвиг ф=180 градусов.
360 градусов – длина периода сигнала, 180 градусов – половина периода сигнала.
Иными словами колебание во второй колонке задержано на половину периода (на 180 градусов).
Если задержка равна нулю, то уровень сигнала наоборот увеличивается, т.к. давление от первой колонки – 1 Па, от второй 1 Па, в сумме 1+1=2 Па. В этом случае говорят, что сигналы в фазе (фазовый сдвиг равен 0 градусов).
При значениях фазового сдвига от 0 до 180 градусов – суммарный уровень громкости становится меньше, пока не станет равным нулю при значении фазового сдвига 180 градусов.
Если фазовый сдвиг становится больше 180 градусов, то суммарный уровень громкости опять возрастает.
В фазе или противофазе? Если вспомнить школьный курс физики, а именно раздел, посвященный гармоническим колебаниям, то из глубин памяти можно выудить, что фаза – это аргумент периодической функции, который отвечает за то, какая будет амплитуда сигнала в определенный момент времени.
Что нам это дает с музыкальной точки зрения? И где же стоит искать проблемы с этой пресловутой фазой?
Допустим, мы записываем гитару, снимая звук с комбика двумя микрофонами, сигнал с которых микшируем, затем в один канал. Вот тут, при суммировании двух сигналов и могут возникнуть проблемы с фазой.
Вариант первый. Сигналы приходят в фазе.
На экране осциллографа это будет выглядеть примерно так.
Видно, что сигналы идеально повторяют друг друга, т.е. «пики и впадины» амплитуд двух сигналов идут синхронно во времени. Это и означает, что сигналы «в фазе». С практической точки зрения это будет означать, что сигналы будут усиливать друг друга. И в идеальном случае амплитуда результирующего сигнала будет представлять собой сумму амплитуд каждого из них. 
Такой случай нам, собственно, ничем не грозит, а даже наоборот – это то, к чему стоит стремиться в большинстве случаев.
Вариант второй. Сигналы в противофазе.
Этот случай прямо противоположенный первому. 
Видно, что там, где «пик» первого сигнала, там же и «впадина» у второго. Не трудно догадаться, что результатом сложения таких колебаний в идеальном случае будет полный ноль, т.е. взаимное подавление обоих сигналов. 
Случай, надо сказать, самый поганый, и которого, стоит избегать.
Вариант третий. Фазовый сдвиг.
Так говорят, когда первый сигнал запаздывает по времени относительно второго.
Еще говорят, что сигналы «частично не в фазе». В случае двух гармонических колебаний одной частоты (на практике, это примерно, как сферический конь в вакууме), сдвиг фаз будет приводить к частичному ослаблению сигнала. А то, насколько ослабится результирующий сигнал, как раз будет зависеть от этого самого сдвига фаз. В предельном случае (см. Вариант 2), на выходе будет полный ноль. 
Все эти картинки имеют лишь отдаленное отношение к практике, т.к. обычно мы имеем дело не с одночастотным сигналом. В звуке гитары (да и любого другого инструмента) довольно много гармоник (читай частот) и обертонов (тоже читай частот). Поэтому при частичном сдвиге фаз некоторые частоты будут ослабляться больше, чем другие, а иные могут быть даже усилены. Как не трудно догадаться все зависит от сдвига фаз (разности фаз) между конкретными гармониками.
Кстати, именно на этом принципе – усиление одних частот и ослабление других, основан всем нам известный эффект – фэйзер (phaser). Конечно, схему сдабривают частотными фильтрами, цепями обратной связи и смешиванием обработанного и не обработанного сигнала, но основной принцип именно тот – сдвиг фаз.
Вообще, фазовые дела могут доставить довольно много неприятностей. Это хорошо если у вас всего два микрофона, в этом случае можно просто поиграть расстоянием от источника звука до миков и найти те положения при которых сигналы от них приходят в фазе. А представьте, что вам надо подзвучить сцену? Или барабаны на реп. точке?
Кстати, на многих преампах для микрофонов есть переключатель полярности сигналов. По физическим принципам к фазе это никакого отношения не имеет, но вот эффект может дать точно такой же, как в вариантах 1 и 2. Только совпадение или несовпадение «пиков» и «впадин» сигналов будет зависеть не от их разности фаз, а от полярности сигналов. Однако, раз эффект это дает такой же, поэтому инвертирование сигналов можно использовать при проблемах с фазой. Другое дело, что это может помочь, а может и не помочь.
Еще одним решением проблемы может стать коррекция фазы уже записанного сигнала в любимой программе звукозаписи, благо сейчас цифровая обработка позволяет творить чудеса.
На слух фазовое несовпадение сигналов можно определить по характерной потере яркости звука, его «истощению». Если чувствуете, что со звуком твориться что-то не то и симптому совпадают с вышеперечисленными, то можно попробовать поиграть с фазой.
Фазовые проблемы могут возникнуть не только при снятии звука микрофонами. Вот человек включает фэйзер в параллельный разрыв на комбике и что? Судя по симптомам, имеет фазовые проблемы, т.к. фэйзер сам по себе сдвигает фазу исходного сигнала, а потом смешивает ее с необработанным, плюс еще параллельная петля… Итог закономерен – звучит плохо.
//www.musiclabo.ru //www.jablog.ru
|
