МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

ИНСТИТУТ НЕПРЕРЫВНОГО И ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАФЕДРА 41

ОЦЕНКА

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

доц., канд. техн. наук, доц.				О. О. Жаринов
должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ПРИМЕНЕНИЕ ФОРМИРУЮЩИХ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ШУМОПОДОБНЫХ АУДИОСИГНАЛОВ

по дисциплине: Мультимедиа технологии

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ

СТУДЕНТ гр. №	Z9411				Р. С. Кафка
	номер группы		подпись, дата		инициалы, фамилия
Студенческий билет №	2019/3603

Шифр ИНДО

Санкт-Петербург 2024

Цель работы: изучить методологию создания шумоподобных сигналов на основе формирующих фильтров.

Краткие теоретические сведения о методе формирующего фильтра и классификации “окрашенных” шумов:

Метод Формирующего Фильтра

Метод формирующего фильтра предназначен для создания шумоподобных аудиосигналов с заданными акустическими свойствами. Основная идея метода заключается в пропускании белого шума через фильтр, который изменяет его спектральные характеристики. В результате получается "спектрально окрашенный" шум, который воспроизводит различные звуковые эффекты в зависимости от типа и настроек фильтра. Примеры использования включают полосовые фильтры для создания звучания колебаний определенной частоты или фильтры нижних частот для имитации естественных шумов, таких как шум воды или ветра.

Классификация "Окрашенных" Шумов

Окрашенные шумы классифицируются по цвету в зависимости от их спектральной плотности мощности:

• Белый шум: этот тип шума имеет равномерную спектральную плотность мощности на всем частотном диапазоне и часто используется как исходный сигнал для формирующих фильтров.

• Розовый шум: спектральная плотность мощности уменьшается с увеличением частоты, что создает более мягкий и приятный звук, напоминающий естественные звуки природы.

• Коричневый (бурый) шум: спектральная плотность мощности уменьшается еще быстрее, чем у розового шума, что приводит к глубокому, басовому звучанию.

• Синий и фиолетовый шумы: у этих типов шума спектральная плотность мощности увеличивается с ростом частоты, что приводит к высокочастотному звучанию.

• Зелёный шум - этот тип шума имеет пик спектральной плотности в области 500 Гц и часто используется для создания звуковой маскировки, напоминая звук листьев на ветру.

• Серый шум - настроен так, чтобы восприниматься человеческим ухом как равномерный на всех частотах, учитывая различную чувствительность уха к разным частотам.

Формирующие фильтры позволяют манипулировать этими и другими типами шума для создания аудиосигналов с желаемыми акустическими свойствами, используя различные методы фильтрации (ФНЧ, ФВЧ, полосовые и режекторные фильтры). Это делает их мощным инструментом в области мультимедиа для имитации звуков или создания уникальных звуковых эффектов

Ход работы:

1. Экспериментальное исследование изменения аудиосигналов

1. Эксперимент 1: Использование полосового фильтра

В первом эксперименте используется полосовой фильтр с переменными границами частоты. Центральная частота фильтра установлена на 880 Гц, а ширина полосы изменяется. Код представлен в листинге 1.

Листинг 1 – MATLAB код для использования полосового фильтра

Fs = 44100; % Частота дискретизации t = 0:1/Fs:10; % Время в секундах x = randn(size(t)); % Генерация белого шума sound(x, Fs); % Воспроизведение чистого белого шума pause(11); % Пауза для прослушивания % Параметры фильтра f1 = 880; % Центральная частота bandwidth = [50, 200, 500]; % Ширина полосы в Гц for b = bandwidth y = bandpass(x, [f1-b/2, f1+b/2], Fs); sound(y, Fs); % Воспроизведение звука pause(11); % Пауза для прослушивания end

Ощущения:

• Изначально звук похож на сигналы из космоса. Присутствует «воздушность», «гудение».

• С увеличением ширины полосы звук становится более насыщенным и менее "звонким".

• Широкая полоса создает ощущение более полного и густого звука, в то время как узкая полоса дает тонкий, почти синусоидальный звук.

2. Эксперимент 2: Использование фильтра нижних частот

В этом эксперименте применяется фильтр нижних частот (ФНЧ) для исследования влияния на звук различных частотных порогов. Код представлен в листинге 2.

Листинг 2 – MATLAB код для использования фильтра нижних частот

Fs = 44100; t = 0:1/Fs:10; x = randn(size(t)); sound(x, Fs); % Воспроизведение чистого белого шума pause(11); % Пауза для прослушивания % Частоты среза low_cutoff = [500, 1000, 5000]; % в Гц for cutoff = low_cutoff y = lowpass(x, cutoff, Fs); sound(y, Fs); pause(11); end

Ощущения:

• При частоте среза 500 Гц звук очень глухой и тяжелый, напоминающий приглушённый шум далекого ветра или моря.

• 1000 Гц добавляет немного ясности, но все еще остается мягким и неясным.

• 5000 Гц делает звук почти неразличимым от белого шума, но с меньшей жесткостью и более мягким звучанием.

• На всех частотах присутствует эффект «потрескивания», который бывает при произведении музыки на пластинках.

3. Эксперимент 3: Комбинированный эффект фильтров

Комбинирование полосового и фильтра нижних частот для создания сложных звуковых текстур. Код представлен в листинге 3.

Листинг 3 – MATLAB код для использования комбинированного эффекта фильтров

Fs = 44100; t = 0:1/Fs:10; x = randn(size(t)); sound(x, Fs); % Воспроизведение чистого белого шума pause(11); % Пауза для прослушивания % Комбинирование фильтров y1 = bandpass(x, [700, 1300], Fs); y2 = lowpass(x, 300, Fs); y = y1 .* y2; % Модуляция амплитуды y1 с помощью y2 sound(y, Fs); pause(11);

Ощущения:

• Создаётся ощущение как от старых записей, присутствует мягкое «потрескивание», как на пластинках.

• Звук имеет переменную интенсивность с мягкими переходами, создавая ощущение пространства и глубины.

• Низкочастотный фон добавляет ощущение "заглушенности" высоким частотам, придавая звуку таинственность и меланхолию.

Эти эксперименты помогли оценить возможности различных типов фильтров в создании уникальных звуковых эффектов и текстур.