Digitaalisen äänenkäsittelyn perusteet syksy 2002
1. Perusteita 1
Äänenpainetasoja
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
dB
kuulokynnys kaiuton huone lehtien havina
kuiskaus (3 m) klassinen musiikki ppp keskustelu (3 m) luento (3 m) paineilmapora (15 m)
klassinen musiikki fff meluisa tehdas meluisa katu
henkilöauton sisällä televisio (3 m)
suihkukone (5 m)
hiljainen talo myymälä asumalähiö yöllä kipuraja
Aivojen äänihavainto
ntarkka äänimuisti on erittäin lyhyt: 1–2 s
non helppo kuulla sitä mitä haluaa
non helppo olla kuulematta epätärkeinä pidettyjä ääniä
nHaasin ilmiö: useita yhtäläisiä äänilähteitä kuunnellessa lähin määrää havaitun äänensuunnan
nkriittiset taajuuskaistat: ei havaita yksittäisiä taajuuksia vaan taajuuskaistoja, joissa voimakas ääni voi peittää kaistan hiljaisemmat äänet
Sävelkorkeus (musical pitch)
nnuotin sävelkorkeus:
usuhteessa taajuuteen
uvoimakkuus voi vaikuttaa madaltavasti
nstandardi sävelkorkeus: 440 Hz = A
noktaavi (octave) = taajuuden kaksinkertaistus
usiis 220 Hz = A, 880 Hz = A jne.
npuolisävelaskeleen (semitone) taajuussuhde =
12√2:1 ≈1,06:1
Nuottien taajuudet
220 a
233 a#
247 h
262 C (keski-C)
277 C#
294 D
330 D#
349 F
370 F#
392 G
415 G#
440 A
Taajuus (Hz) Nuotti
Äänilähteiden taajuusalueita
700–4000 ksylofoni
15–8000 kirkkourut
30–4000 piano
70–600 sello
200–3500 viulu
200–1000 trumpetti
125–650 alttosaksofoni
60–600 fagotti
250–2500 huilu
100–350 mieslaulaja
250–1000 naislaulaja
Taajuusalue (Hz) Äänilähde
Sointiväri (timbre)
nerottaa äänilähteet toisistaan
nsyyt:
uyläsävelet (harmonics)
tperustaajuuden harmonisia monikertoja
ualuke (starting transients)
täänen alkaessa esiintyviä, ei- harmonisia taajuuksia
tkestävät 0,01–0,2 s
Digitaalisen äänenkäsittelyn perusteet syksy 2002
1. Perusteita 2
1.3. Äänen syntetisointi
n
olemassa olevien äänten jäljittely
n
keinotekoisten äänten luonti
Menetelmiä 1(2)
naaltomuototaulukkosynteesi (wavetable)
usamplataan äänilähdettä eri taajuuksilla
→aaltomuototaulukko
umikäli haluttua taajuutta ei löydy taulusta, interpoloidaan aaltomuoto
nvähentävä (subtractive) synteesi
ulähtöaaltomuodossa paljon yläsäveliä
ulopullinen sointiväri saadaan suodattamalla pois taajuuksia
Menetelmiä 2(2)
nlisäävä (additive) synteesi
usummataan yhteen eritaajuisia, -amplitudisia ja -vaiheisia siniaaltoja
nFM-synteesi (frequency modulation)
umoduloidaan kantoaallon taajuutta toisella aallolla
umuokataan lopullisen aaltomuodon amplitudia verhokäyrällä
uSound Forge: Tools > Synthesis > FM
Ääniaaltoja
siniaalto (sine wave) kanttiaalto (square wave)
kolmioaalto (triangular wave) saha-aalto (saw wave) valkoinen kohina (white noise)
1.4. Samplaus ja kvantisointi
nAD-muunnos: analogisesta digitaaliseksi
nDA-muunnos: digitaalisesta analogiseksi
ndigitaalisen esitysmuodon etuja:
ukopioitavuus
ukohinan vähyys
umuokattavuus
AD-muunnos
nhetkellä tmikrofonin kalvon poikkeama on x(t)
nkaksi ongelmaa:
ut:n diskretisointi:
samplaus
ux(t):n diskretisointi:
kvantisointi
nkaksi
approksimaatiota!
x(t)
i0, i1, i2,..., im
Digitaalisen äänenkäsittelyn perusteet syksy 2002
1. Perusteita 3
Samplaus (sampling) eli näytteistys Matala samplaustaajuus
Nyquistin taajuus
nfs≥2 ·fmax
njos fmax= 20 kHz, niin fs≥40 kHz
Kvantisointi (quantizing)
nnäytearvon pyöristys kokonaislukuun
u8 bittiä: [-128, +127]
u16 bittiä: [-32768, +32767]
Kvantisointi ja dynamiikka?
norkesterin fff= 100 dB
norkesterin ppp= 40 dB
nkvantisoidaan 16 bittiin:
b15b14b13b12b11b10 b9 b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 etumerkki
fff
ppp
1.5. Tiedostoformaatit
nitsensä kuvaavat (self-describing)
uhierarkinen rakenne
usisältää tietoa esim.
tsamplaustaajuudesta
tkanavien lukumäärästä
tkäytetystä koodauksesta
ttekijänoikeuksista
nraa’at (raw)
ulaiteparametrit ja koodaus kiinnitetty
usisältää pelkkää dataa
Digitaalisen äänenkäsittelyn perusteet syksy 2002
1. Perusteita 4
Yleisiä tiedostoformaatteja
Microsoft, IBM Real Networks
Moving Picture Experts Group Sun, NeXT
Apple, Electronic Arts Kehittäjä(t)
Real Audio, Real Media .ra, .rm
MPEG Audio .mp2, .mp3
Sun Audio .au, .snd
Audio Interchange File Format .aiff, .aif
Windows WAVE, RIFF WAVE .wav
Nimi Tiedostopääte
