正弦波(时间过程)

用仪器可以测量声波。优质的话筒是声波良好的传感器。话筒把声压变化转变为电压变化。声音信号变成电信号了,但是波的形式并不改变。把那种电压变化用扬声器恢复出来,仍旧是原来的声音。通过传感器接收到声波后,示波仪能够借助屏幕直观地用图像把波形显示出来。那种图像的纵轴是电压轴,它跟声压是相似的。从话筒到放大电路到扬声器等的全过程中任何环节质量不佳都会使声音发生畸变,因此整个系统,从话筒或录音带到放大器和扬声器等,都会有一个保真度的性能问题。削波是一种常见的畸变,它是某一环节音量过大或放大过分造成的,它使语流中较大的振幅变得很平整,听起来噪音很强烈,有点刺耳或非常刺耳。因此在录音时一般都把音量控制在电路所允许的最大功率的一半左右(-3 dB),以防偶然的强音被削波。

在传感器位置不变的时候,示波仪显示的是这一位置声压的变化过程。因此,屏幕上的横轴是时间轴。那种图解就是所谓声波的时域图,有别于图片1里的空域图。在声波前进方向上分别放上很多传感器,前方的声波会比后方的声波晚一些到达,它们的声波图像在时间轴上有逐渐滞后的变化。假如在声波前进方向上排满传感器,把不同位置的声压变化按照话筒位置的分布都标画在同一个图解里,那么任何瞬间的一幅图就是空域图。很明显,随着时间的变化,那种空域图里的波形会像活动电影一样不断向前方移动。当然,通常的空域图解并不是连续影片,所以一般都只表示声波在同一瞬间不同位置的情形。相反,时域图解一般只表示同一位置不同时间的声波过程。

现在在多媒体计算机上已经很容易把声波图画出来,因此研究语音的人不必再另外化钱去买示波仪了。计算机还可以用数字文件的方式把声音保存起来,也可以把已经保存的文件调出来,听听它的声音,测量一下声波的各种参数。声波文件里的一系列数字代表声压的变化。当采样频率为10000 Hz的时候,一秒的声音文件里有10000个数据,每个数据是相隔10000分之一秒的瞬间电压值。当数据文件里用-32767~+32767一类数字表示电压的时候,它们一般与相对的电压值-5~+5v成正比(线性输入或输出端实际的电压范围可能是-10v)。因为那种数据大约只能区分6万个电压等级,所以电压的精度是有限的,是从一个电压等级到下一个电压等级跳跃过去的。那种跳跃方式会带来高频噪声,所以会有使用低通滤波器的问题。

使用数字设备录音或放音的时候,音响系统的两端应该有低通滤波器。采样频率为10000 Hz的,低通滤波截至频率在5000 Hz以下,即二分之一以下的位置。按照采样原理,采样频率一半以上的频率成分已经丢失,所以低通截至频率是它的一半。在任何数字式仪器或计算机里,时间轴和电压轴都有那种跳跃的问题,或者说它们都是用离散方式记录和处理声波的,跟传统的仪器设备不一样。传统的设备或计算机的某些外围设备采用模拟式电路(例如话筒、扬声器和滤波器,又如普通的录音带和唱片),时间轴和电压轴的变化是连续的。在图解中,模拟式信号的图像是光滑的曲线,数字式信号的图像是阶梯式的折线。在两种方式之间需要用模数转换器ADC)或数模转换器DAC)。

从图片1和图片2中可以直观地了解描写声波的一些基本概念,它们是各种语音参数的重要依据。