Štefan Zeidler

36333048

SEMINARSKI RAD - PVPRM

SINTEZA ZVUČNOG SIGNALA

1. DEFINICIJA ZVUKA

Pod zvukom se u širem smislu podrazumijeva titranje medija kojim se on širi, pri čemu se ne obazire na to nalazi li se u području čujnosti ljudskog uha, dok se u užem smislu zvukom smatra ona titranja koja se u tom području nalaze. Područje čujnosti ljudskog uha nalazi se između 20 Hz i 20kHz. Valovi frekvencije ispod 20 Hz nazivaju se infrazvukom, dok se valove iznad 20 kHz nazivaju ultrazvukom.

2. JEDNOSTAVAN I SLOŽEN ZVUK, FOURIEROVA SINTEZA

Prije nego što se prijeđe na razmatranje jednostavnog i složenog zvuka treba prvo definirati razliku između takvih zvukova i buke. Kao što nam je već otprije poznato, bilo koji zvučni signal možemo predočiti zbrojem sinusnih signala različitih frekvencija i amplituda. Navedeno pravilo se zove Fourierov teorem, a njegova primjena Fourierova sinteza. Stoga svaki zvučni signal ima svoju osnovnu frekvenciju, svoj spektar, intenzitet i svoju boju. On se od buke razlikuje po tomu što je buka stohastički signal.

Jednostavan zvuk je zvuk čiji se spektar sastoji od samo jedne frekvencije, koju nazivamo osnovnom frekvencijom, dok se složeni zvuk sastoji od osnovne frekvencije i proizvoljnog broja njenih harmonika. Valni oblik jednostavnog zvuka sastoji se od jedne sinusoide i prikazan je na sl. 1.

Sl.1. Valni oblik jednostavnog zvuka

Na sl.2. prikazan je spektar frekvencija složenog zvuka. Za dani primjer jasno je uočljivo da je njegova osnovna frekvencija 100 Hz, te da je pored nje sastavljen od još mnogo komponenata čije amplitude kontinuirano padaju.

Sl.2. Frekvencijski spektar složenog zvuka

.

Sl.3. Fourierova sinteza pile

S obzirom nato da je pomoću Fourierove sinteze moguće dobiti proizvoljan signal, sinteza zvuka svodi se na obrade sinusnih signala i manipulacije njihovim parametrima. Na sl.3. je prikazano postepeno stvaranje pilastog signala dodavanjem harmonika osnovne frekvencije, dok je na sl.4 prikazan valni oblik i spektar pravokutnog signala.

Sl.4. Valni oblik i spektar pravokutnog signala

Na sl.4. je vidljivo da se pravokutni signal dobiva dodavanjem samo neparnih harmonika osnovnoj frekvenciji.

3. OSNOVNE KOMPONENTE SUSTAVA ZA SINTEZU

Sinteza zvuka je proces generiranja zvuka iz mreže jednog ili više analognih ili digitalnih krugova. Svaki krug proizvodi ili modificira audio signal koji se sprovodi prema izlazu mreže gdje se 'odsvira'.

Oscilatori su obično jedni od prvih komponenti u sustavu za generiranje zvuka jer ih se koristi za stvaranje čistog periodičnog sinusnog signala ili drugog valnog oblika. Različiti tipovi oscilatora stvaraju različite valne oblike kao npr. sinusni, trokutni, pilasti, pravokutni i šum.

Filtri kao i filtarska pojačala su također nezaobilazna komponenta u bilo kakvom sustavu za generiranje zvuka. Pomoću filtara manipuliramo amplitudama pojedinih komponenata spektra i 'brišemo' sve komponente unutar određenih frekvencijskih pojaseva. Pri tom se koriste sve vrste filtara: niskopropusni, visokopropusni, pojasnopropusni ,pojasne brane kao i pojačala točno određenih frekvencija.

Anvelope se koriste za mijenjanje nekog parametra signala s vremenom, kao npr. glasnoće. One upravljaju evolucijom signala od trenutka kada je počeo do njegovog konačnog isčeznuća. Jedna od uobičajenih anvelopa je ADSR anvelopa, a dobila je naziv po vremenskim segmentima koje predstavlja: Attack, Decay, Sustain i Release.

Primjer ADSR anvelope prikazan je na slici5.

Sl.5. Primjer ADSR anvelope

Niskofrekventni oscilatori koriste se za modulaciju parametara zvuka kao što su glasnoća i visina tona u cilju postizanja efekata poput tremola, vibrata, 'uau' efekta i sl. Njihov način rada sastoji se u cikličkom modificiranju parametara drugih krugova unutar sustava, kao što su npr. amplituda oscilatora ili granična frekvencija filtra. Ciklus modifikacije može imati valni oblik sličan već navedenim valnim oblicima oscilatora, samo sa puno manjom frekvencijom.

4. TIPOVI SINTEZE

Što se tiče samoga generiranja zvučnih signala, postoji nekoliko metoda sinteze, počevši od kombiniranja osnovnih valnih oblika do kompleksnih algoritama koji matematički rekonstruiraju fizikalna svojstva realnih glazbenih instrumenata ili drugih vrsta zvukova. U tekstu koji slijedi bit će predočen jednostavan uvid u različite tipove sinteze kako bi pojasnili osnovne ideje za kojima se ti postupci provode. Pri tom treba napomenuti da navedene metode sinteze nisu ekskluzivne; mnogi elektronički sintetizatori i programski alati u pravilu koriste kombinacije više tipova sinteze.

Aditivna sinteza konstruira zvučni signal na temelju zbrajanja različitih osnovnih elemenata čime se dobiva kompleksni valni oblik. Na sl.6 je prikazano zbrajanje dvaju sinusnih signala i valni oblik rezultirajućeg signala. Teoretski je ovom metodom moguće reproducirati bilo kakav zvuk, no u stvarnosti zvukovi iz prirode daleko su kompleksniji i zahtjevaju puno više obrade.

Sl.6. Primjer aditivne sinteze

Suptraktivna sinteza ima obrnuti pristup generiranju zvuka. Polazna točka je zvuk bogat harmonicima koji se filtrira s namjerom da se dobije željeni rezultat. Ova se metoda može koristiti za efektivno ostvarivanje signala što bližem bilo kojem željenom prirodnom ili sintetičkom zvuku.

Granularna sinteza koristi sekvence kratkih zvučnih 'zrnaca' (granule) kako bi se formirao konačan duži signal. 'Zrnca' su segmenti vremenskog trajanja 10 do 100 ms koje sadže informacije o frekvencijama. Segmenti mogu biti jednostavni sinusni signali ili kompleksne teksture zvuka. U cjelinu ih se spaja proizvoljnim redoslijedom sa varijacijama u amplitudi i individualnom vremenskom trajanju segmenta. Te varijacije naposlijetku definiraju anvelopu zvuka, visinu i duljinu tona.

Amplitudna modulacija izvodi se kombiniranjem dvaju signala, pri čemu jedan signal igra ulogu nosioca, a drugi ulogu modulirajućeg signala koji mijenja amplitudu nosioca. Modulirajući signal je unipolaran, što znači da se sastoji isključivo od pozitivnih vrijednosti. Na sl.7 prikazan je primjer amplitudnog moduliranja signala nocioca.

nosioc

modulirajući

signal

izlazni

signal

Sl.7. Primjer amplitudne modulacije

Prstenasta modulacija postupak je gotovo identičan gore navedenoj amplitudnoj modulaciji, samo što je modulirajući signal bipolaran, tj. raspolaže i pozitivnim i negativnim vrijednostima. Prstenasta modulacija mnogo se koristi u vokoderima koji se upotrebljavaju za generiranje signala ljudskog govora o čemu će kasnije biti više riječi.

Frekvencijska modulacija je metoda modulacije pri kojoj modulirajući signal modulira ne amplitudu vala nosioca, već njegovu frekvenciju. Ovom je metodom moguće upotrebom samo dva oscilatora dobiti vrlo kompleksan valni oblik sa širokim frekvencijskim područjem. Osim toga, ona zahtijeva minimalan broj računskih operacija i stoga je bila vrlo popularna u ranim sintetizatorima i zvučnim karticama.

5: Fizikalno modeliranje sustava za generiranje zvuka

Fizikalno modeliranje sustava za generiranje zvuka vrlo je kompleksan i u načelu intuitivan postupak. Sinteza se provodi u cilju egzaktne reprodukcije prirodnog ili sintetičkog signala matematičkim definiranjem pobude i rezonantnog sustava. Pri tom se rezonanti sustav može definirati kao vremenski nepromjenjiv sustav sa određenim brojem polova i nula, a njegov odziv na pobudu predstavlja izlazni signal. Ova metoda generiranja zvučnog signala može biti vrlo kompliciran i zahtijeva mnogo računskih operacija, stoga se u pravilu pri sintezi zvuke kriste računala kojima se prvo signal modelira u digitalnoj da bi se potom prebacio u analognu domenu.

6. Primjer primjene: sinteza zvučnog signala

Vrlo je zanimljivo osvrnuti se na način reproduciranja ljudskoga govora. Kao što je već navedeno u prethodnoj točki, svaki sustav za generiranje zvuka sastoji se od dva osnovna dijela, a to su generator pobudnih signala te rezonantni sustav čiji odziv na pobudu predstavlja izlazni signal. Jedan je takav sustav prikazan na sl.8.

Sl.8. Model sustava za generiranje govornog signala

Kako bi se ostvario željeni sustav, potrebno je analizirati i modelirati vokalni trakt i glasnice. Glasnice su u načelu generator pobude koja se u ovom slučaju sastoji od niza impulsa čiji period daje osnovnu frekvenciju glasa, a njihov oblik se može usporediti sa pozitivnom poluperiodom jedne vrlo uske sinusoide. Vokalni trakt sastoji se od usne šupljine omeđene stijenkama čeljusti, jezika i usnica. Govorni signal na izlazu zapravo predstavlja odziv vokalnog trakata kao rezonantnog sustava na pobudu koju stvaraju glasnice. Ograničimo li se na dovoljno kratak period da možemo promatrati odziv sustava na samo jedan takav impuls, možemo prikazati frekvencijski spektar tog signala.

Jasno je dakle kako izgledaju impulsi koje daju glasnice – shodno tome se modelira generator impulsa koji će imati valni oblik što bliži realnom. Pri modeliranju vokalnog trakta obično ga se zamišlja kao seriju spojenih cijevi bez gubitaka, koje kao sustav imaju svoju frekvencijsku karakteristiku definiranu polovima i nulama. Kako bi se vokalni trakt mogao modelirati za pojedine glasove, tj. kako bi se ustanovila prijenosna funkcija za pojedini glas, potrebno je proučiti frekvencijski spektar svakog pojedinog glasa. Na sl.9 prikazani su spektri glasova a,e,i,o.

Sl.9 Spektri samoglasnika (od gore lijevo) a,e,i,o

Na priloženim slikama jasno se vide frekvencijski spektri odziva vokalnog trakta na pobudne impulse glasnica. Nije naodmet napomenuti da je za svaki glas drugačiji oblik spektra te da ih je moguće prepoznavati na osnovu njihova oblika. Markantna rezonantna izdizanja spektara nazivaju se formantnim frekvencijama ili kraće formantima, a njihovi položaji na frekvencijskoj i visina na amplitudnoj osi jednoznačno određuju o kojim se glasovima radi.

Poznavajući dakle frekvencijske spektre glasova moguće je odrediti polove i nule pripadne prijenosne funkcije odnosno filtra, a povećanjem reda navedenog filtra njegov se impulsni odziv sve više približava onom realnom.

NATRAG