С радостью сообщаю, что баяны на тему радио (повторы постов, когда-либо выложенных мной на Пикабу ранее), закончились. Сегодняшний пост - полностью оригинальный, как и все последующие по этой теме.
Физика и музыка. Форма и спектр сигнала.
Радио и музыка - более чем близки с точки зрения физики. Как двоюродные братья. И в радиотехнике, и в музыке используются понятия частоты, длины волны, формы сигнала, и конечно, его спектра. Вот с этим и попробуем разобраться сегодня.
Знания о форме и спектре сигнала - основа основ. И, как ни странно, проще всего понять суть и взаимосвязь формы и спектра сигнала именно на примерах из музыки.
Для начала - напомню осциллограмму (визуальное отображение электрического аналога звукового сигнала):
Как видно из картинки - звуковой сигнал имеет сложную форму. А что же такое форма сигнала? На самом деле - форма сигнала - это всего-навсего изменение напряжения сигнала во времени. То есть, чтобы понять, какая у сигнала форма - надо построить график. По горизонтальной оси отложить время, а по вертикальной - напряжение. Именно такой график строит осциллограф, так сказать, онлайн.
Общеизвестно, что всё сложное может быть приведено к простому. То есть каждый сложный процесс можно разложить на множество процессов простых. То же самое и с сигналом. Сложная, зубчатая и непонятная форма сигнала на осциллограмме - это сумма электрических образов звучания разных музыкальных инструментов и голосов.
Давайте посмотрим, как выглядят осциллограммы звучания разных музыкальных инструментов в отдельности. Для ясности - заставим музыкантов во время этого опыта играть ТОЛЬКО ОДНУ ноту. И, естественно, по очереди, а не всех разом. Запишем полученные звуки и посмотрим форму их сигналов на осциллографе.
https://showslide.ru/lekciya-15-volnovie-processi-osnovnie-p...
Картинка получилась попроще? попроще... Давайте обратим внимание на осциллограмму звучания камертона. Камертон - простейший музыкальный инструмент, издающий самый простой - "чистый" звук. Выглядит он вот так:
По "рогам" камертона надо ударить металлической палочкой, и он издаст звук. Один простой звук. А что же там на осциллограмме? А на осциллограмме - синусоида. Просто синусоида. Образ "чистого" звука, радиоволны, световой волны, морской волны - любого волнового процесса. Напомню, что звуковой диапазон частот - от 16 герц до 20 килогерц (20 000 герц). 1 Герц - 1 колебание в секунду.
А теперь внимательно присмотримся к осциллограмме звучания, например, органа. Немного визуального анализа - и мы понимаем, что звучание органа - это сумма синусоидальных сигналов - основной ноты, а также нот, в два, три и четыре раза выше по частоте. И такая же картина просматривается на всех других осциллограммах! Вот иллюстрация, на которой показано - каким образом суммируются синусоиды.
Таким образом, просто внимательно рассматривая картинки, мы поняли, что любой звук - это сумма простейших звуков, каждый из которых представлен сигналом синусоидальной формы (сигналом камертона), с разной амплитудой (напряжением).
И это относится не только к сигналам звуковой частоты. Любой электрический сигнал - радио, телевизионный, радиолокационный, вообще любой, даже шум (кроме постоянного тока из батарейки) - это набор простейших синусоидальных сигналов. Другое дело, что этих синусоид может быть и две, и тысяча, и миллион, и каждая из которых будет иметь свою частоту и свою амплитуду, но сути дела это не меняет.
Любой сигнал, даже самый сложный, является композицией простейших синусоидальных сигналов.
Теперь поговорим о спектре сигнала.
Это тоже довольно просто. Если для понимания формы сигнала мы строим график напряжения сигнала в зависимости от времени, то что нам мешает построить график напряжения в зависимости от частоты? В целом, практически ничего. Особенно в наше компьютерное время. Если во времена ламп и дискретных транзисторов анализатор спектра представлял собой прибор размером с холодильник ЗИЛ, то сейчас с функцией спектроскопии вполне себе справляются простейшие устройства на базе Ардуино, не говоря уже о компьютерах.
Итак, строим график. По горизонтальной оси откладываем частоту в герцах, а по вертикальной - амплитуду сигнала (напряжение или мощность - в данном случае не важно).
Какая интересная картинка! Спектр синусоидального сигнала (звука камертона) - одна простая палочка... Интересно, а как же выглядят спектры музыкальных инструментов, формы сигналов которых мы рассмотрели выше? А вот так:
То есть, звучание каждого инструмента складывается из звучания основной ноты (она называется первой гармоникой), и каких-то ещё гармоник...
Что же такое "гармоника"? Всё просто. Это дополнительный "призвук" в звучании инструмента, на частоте, кратной первой гармонике. И от количества и "мощности" гармоник зависит характер звучания инструмента - тембр. Рассмотрим на примере фагота:
Первая гармоника - 175 герц.
Вторая - 350
Третья - 525
Четвертая - 700
Пятая - 875
Шестая - 1050... и так далее.
Вы спросите - причём тут радио? Более чем причём. Только в радио, в отличие от музыки, гармоники иногда бывают вредными. Например, мы ведём передачу на частоте 1900 КГц. Это первая гармоника, основная. А вторая гармоника - 3800 КГц. И если у нас сигнал сформирован недостаточно хорошо, и он не очищено от "высших гармоник", то своей передачей мы поставим помеху на частоте 3800 КГц, и помешаем тому человеку, который ведёт передачу там. Подробности - в одном из следующих постов.
С гармониками - разобрались. Посмотрим теперь на практические примеры спектра сигналов.
Вот спектр человеческого голоса.
А вот спектр звучания современного музыкального ансамбля:
А вот спектр сигнала вещательной радиостанции:
Вспомним спектр синусоидального сигнала (камертона) - там одна палочка... А здесь - тысячи палочек, создающие сложную картину.
Резюме:
1. Форма сигнала - это график амплитуды сигнала (мощности, напряжения, тока) в зависимости от времени.
2. Спектр сигнала - это график амплитуды сигнала (мощности, напряжения, тока) в зависимости от частоты.
3. Любой сигнал, даже самый сложный, является композицией простейших синусоидальных сигналов.
4. Форма любого сигнала может быть приведена к сумме синусоидальных сигналов разной частоты и амплитуды.
С Вами AlexRadio. 73!
