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聲音原理
聲音是由振動產生的一種聲波,它通過介質(空氣,固體或液體)傳播,並且可以被人或動物的聽覺器官感知。 聲音的頻率通常以赫茲(Hertz)表示,並記錄為Hz,它是指每秒的周期性振動數。 分貝是用於表示聲音強度的單位,記錄為dB。
聲音是一種波動。 演奏樂器,敲門或敲桌子時,聲音的振動會引起中等空氣分子的有節奏的振動,從而使周圍的空氣密度發生變化並形成密集的縱波,從而產生聲音波動,直到振動消失為止。
任何器官接收到的聲音的頻率都有其範圍限制。 人耳通常只能聽到20Hz至20000 Hz(20kHz)範圍內的聲音,並且上限會隨著年齡的增長而降低。 其他物種也有不同的聽覺頻率,例如可以聽到超過20kHz但不低於40Hz聲音的狗。 不同動物的聽覺頻率範圍如下:
①蝙蝠:1000-120000hz
②海豚:2000-1000000hz
③貓:60-65000hz
④狗:40-50000hz
⑤人:20-20000hz
⑥紅色:次聲,藍色:聲音,綠色:超聲波
1.麥克風采集
麥克風(也稱為麥克風或麥克風,在中文中正式稱為麥克風),是英文麥克風的翻譯,是一種將聲音轉換為電子信號的換能器。 根據麥克風製作的原理,可以分為以下幾類:
(1)移動麥克風
動圈式麥克風的基本結構包括線圈,振膜和永磁體。 當聲波進入麥克風時,振膜在聲波的壓力下振動。 與膜片相連的線圈開始在磁場中移動。 根據法拉第定律和倫茨定律,線圈將產生感應電流。
由於線圈和磁鐵的原因,動圈話筒不輕巧,靈敏,高頻響應和低頻響應均較差。 優點是聲音更柔和,適合錄製人的聲音。
1.聲波2.振動膜3.線圈4.磁鐵5.輸出信號
(2)電容式麥克風
電容式麥克風中沒有線圈或磁鐵,並且電壓的變化是由電容器兩個極板之間的距離的變化產生的。 當聲波進入麥克風時,由於固定了基板,所以振動膜振動,因此振動膜與基板之間的距離隨著振動而變化。 根據電容的特性,當兩個分區之間的距離改變時,電容值C將改變,並且當C改變時功率Q將改變。 由於電容式麥克風需要固定的板極電壓V,因此該麥克風需要額外的功率才能工作。 普通電源是電池。 由於其高靈敏度,電容麥克風通常用於高質量的錄音。
1.聲波2.振動膜3.基板4.電池5.電阻6.輸出信號
(3)駐極體電容麥克風
電容式麥克風通常需要額外的電源才能運行,而駐極體電容式麥克風則不需要額外的電源。 駐極體也稱為“永久電體”,它將具有固定數量的電荷。 整條線沒有功耗(該線去除了上圖所示的電池和電阻)。 根據公式:q = Cu,當C發生變化時,電容器兩端的電壓u不可避免地發生變化,從而輸出電信號來實現聲電轉換。 由於實際電容器的電容較小,因此輸出電信號非常弱,輸出阻抗非常高,可以達到100兆歐以上。 因此,它不能直接與放大電路相連,而必須與阻抗轉換器相連。 通常使用特殊的場效應管和二極管來形成阻抗轉換器。 由於場效應管是有源器件,因此需要一定的偏壓和電流才能在放大狀態下工作。 因此,需要將直流偏置電壓添加到駐極體麥克風上才能工作。
(4)MEMS麥克風
MEMS麥克風是指由MEMS技術製成的麥克風,也稱為麥克風芯片或矽麥克風。 MEMS麥克風的壓力感應膜是通過MEMS技術直接蝕刻在矽芯片上的。 IC芯片通常集成到一些相關電路中,例如前置放大器。 從根本上講,大多數MEMS麥克風設計是電容式麥克風的一種改變。 MEMS麥克風通常還具有模數轉換器,其可以直接輸出數字信號並成為數字麥克風,從而與當前的數字電路連接。 MEMS麥克風主要用於某些小型移動產品,例如手機和PDA。
還有其他類型的麥克風,此處不再贅述。
2.麥克風降噪
隨著技術的發展,即使在非常嘈雜的環境中,另一端也可以清晰地聽到電話,這主要是由於降噪技術的發展所致。 在當前的手機中,我們經常看到不僅有一個麥克風,而且有兩個甚至三個,而降低噪音的關鍵則更多。
(1)麥克風降噪
一般來說,電話有兩個麥克風,一個在頂部,一個在底部。 兩者看起來都很小,但是兩者有明顯的區別,其中底部用於發出清晰的聲音,而頂部用於消除噪音。
由於通話過程中頂部和底部之間的距離與聲音的來源不同,因此兩種小麥拾取的音量不同。 通過這種差異,我們可以濾除噪音並保持人的聲音。 撥打電話時,兩個麥克風拾取的背景噪聲音量基本相同,而錄製的語音的音量差異約為6dB。 小麥收穫後,經過解碼產生補償信號,可以用來消除噪聲。
(2)迴聲
迴聲(或迴聲)是指障礙物對聲音的反射。 當遇到障礙物時,一部分聲波會穿過障礙物,而另一部分聲波會反射回來形成迴聲。 如果障礙物具有堅硬且光滑的表面,則很容易產生迴聲。 否則容易吸收表面柔軟的聲音。 另外,粗糙的表面易於散射聲音。 迴聲比直接傳輸的要長,因此迴聲比直接聲音要晚。 如果兩行聲波之間的間隔小於0.1秒,則人耳無法分辨,只能聽到擴展的聲音。 由於在室溫(343℃)下氣體中的聲速為每秒20米,站在聲源旁的人需要聽到迴聲,並且從障礙物到聲源的距離至少為17米。
(3)回音消除
很多時候,需要將小麥連接到現場廣播,並且需要消除所收集聲音的迴聲。 當手機處於連接小麥的狀態時,手機播放對方的聲音,用麥克風將其收集,然後將收集到的聲音發送給對方。 這樣,另一方將聽到自己的迴聲。 因為循環一直在進行,所以迴聲會越來越多,最後會有嗡嗡聲。
迴聲消除是在錄製麥克風的外部聲音時消除手機本身播放的聲音,以便從收集的聲音中濾除對方的聲音,從而避免產生迴聲。 下圖顯示了迴聲消除的機制。
迴聲消除
在近端,麥克風將從揚聲器收集遠程聲音。 假設聲音為y(n)。 當然,因為有必要廣播遠程聲音,所以我們可以肯定地從遠程端獲取聲音信號,假設聲音是x(n)。 不難發現x(n)由揚聲器播放,然後通過空中傳輸,最後由麥克風收集,然後變為y(n),X(n)和Y(n)具有明顯的相關性。 假設麥克風采集的總聲音信號為Z(n),則需要根據X(n)通過自適應濾波器找到Z(n)中的y(n),然後從Z中濾除y(n)( n)。
3,聲音採集
麥克風的原理已經在前面描述過了。 麥克風收集到聲音後,將其轉換為模擬電信號。 之後,有必要將模擬電信號轉換為計算機識別的模擬信號。
錄音可以在Android中用於錄製聲音,並且錄製的聲音可以設置為PCM聲音。 為了用計算機語言表達聲音,有必要將聲音數字化。 將聲音數字化的最常見方法是通過脈衝代碼調製PCM(脈衝代碼調製)。 聲音通過麥克風,並將其轉換為一系列電壓變化信號。 要將這種電壓變化信號轉換為PCM信號,需要三個過程:採樣,量化和編碼。 要實現這三個過程,需要三個參數:採樣頻率,採樣位數和通道數。
脈衝編碼調製
(1)採樣頻率
採樣頻率是採樣頻率,是指每秒獲取聲音採樣的次數。 採樣頻率越高,聲音質量越好,聲音恢復越真實,但同時也會佔用更多資源。 由於人耳的分辨率非常有限,因此無法分辨出太高的頻率。 22位聲卡中有44khz,16KHz等級別,其中22khz相當於普通FM廣播的聲音質量,44KHz相當於CD的聲音質量,當前常用的採樣頻率不超過48Khz。
(2)樣品編號
採樣位數是採樣值或採樣值(即採樣幅度已量化)。 它是用於測量聲音波動或聲卡分辨率的參數。 值越大,分辨率越高,發出聲音的能力越強。
在計算機中,採樣數通常分為8位和16位。 8位並不是說垂直坐標分為8個部分,而是分為8的2倍,即256; 相同的原因是16位將垂直坐標分為65536的16階的2個部分。
採樣率和样本量越大,記錄的波形越接近原始信號。
(3)通道數
眾所周知,單聲道和立體聲之間是有區別的,單聲道聲音只能由一個揚聲器發出(某些聲音也可以在兩個揚聲器輸出相同聲音通道的情況下進行處理)。 立體聲的PCM可以使兩個揚聲器都發出聲音(通常,左右聲道之間存在分工),並且可以感受到更大的空間效果。
因此,現在我們可以得到PCM文件容量的公式:
存儲量=(採樣頻率,採樣號,通道時間)/ 8(單位:字節)
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