Základní informace o kódování zvuku

Zvuk je kompresní vlna a jakékoli jeho zobrazení musí být jeho kódováním. Můžete jej zakódovat, abyste mohli znovu vytvořit zvuk pomocí mašinky, která osciluje správným způsobem, aby znovu stlačil vzduch ve správném vzoru, ale nemůžete ho jen „vytisknout“, jako byste mohli zvětšit světelnou vlnu z měřítka nanometrů na viditelnou jako reprezentaci.

Vezměme si jednoduchý příklad: melodie 440 Hz je obecně považována za A ₄ , aka koncertní hřiště a nebo A440.

Mohlo by to být zakódováno různými způsoby. Pravděpodobně nejstarší je zakódovat to jako notu do noty houslí, kterou by pak mohl kdokoli reprodukovat pomocí správně naladěného nástroje. Skutečný výsledek závisí na použitém nástroji stejně jako na dovednostech hráče. Každý nástroj by tedy mohl dekódovat tuto zakódovanou notu odlišně, na základě fyzického nastavení nástroje. Každý nástroj automaticky vytváří příslušné podtóny.

V Midi je kódován jako Poznámka 69 a jakýkoli stroj, který dokáže dekódovat soubor midi, by mohl pomocí této instrukce spárované s použitým nástrojem vytvořit A ₄ , který je pro něj nastaven. V Midi pouhá instrukce Note 69 sice zruší dovednost, ale to, jak to zní a jak se cítí, vychází z nastavení nástroje - které obsahuje informace o tom, jaké podtexty mají být vytvořeny při hraní této noty.

Pro fyzik, čistý zvuk je zakódován jako pouhá představa 440 Hz a nějaká amplituda, která vyvažuje, jak hlasitý je. S těmito pokyny by byl schopen nastavit zařízení, které má tyto, vytváří 440 Hz melodii. Pro generování zvuku a pocitu nástroje by kódování pro fyzika muselo obsahovat všechny podtexty, které se s tímto jediným zvukem houpají.

Historie záznamu zvuku

Podívejme se na úplně první způsob záznamu zvuku: Fonautograf z roku 1857 použil kousek papíru nebo zčernalý list skla a poté membrána pohnula jehlou. Když se talíř pohnul, jehla opustila psanou cestu. Kódování bylo provedeno pomocí 2 faktorů: nastavení stylusu (hlavně délky ramene) a rychlosti pohybu desky. Změna buď změnila kódování. Delší rameno by zaznamenávalo větší amplitudu (což by umožňovalo zaznamenat slabší zvuky), zatímco rychlejší pohyb by změnil zaznamenanou časovou osu, což by umožnilo podívat se na krátké instance a lépe je porovnat.

Tyto záznamy vibračních vzorů lze použít k změřte a porovnejte zvuky, ale nepoužívejte je k opětovnému vytvoření zvuku, protože čáry na papíře ani škrábance v sazích jsou dobrým způsobem, jak udržet čtecí jehlu v hranicích. trvalo to až do roku 2000 a použití skenerů i digitálního zpracování k opětovnému vytvoření těchto zaznamenaných zvuků.

Řešení k opětovnému vytvoření zvuků našel Edison Laps v roce 1877 s fonografem, který používal kousek silné staniol pro záznam pohybového vzoru membrány. Opět platí, že kódování bylo provedeno pomocí nastavení ramene a rychlosti, jakou se válec obložený staniolem pohyboval (nebo spíše otáčel). Až do 80. let 18. století se vyvinul voskový válec, do kterého se snadněji zapisovalo a reprodukovalo se. Jeden takový stroj používal Carl Orff.

První gramofon přišel v roce 1889, hlavně když změnil tvar záznamového média z válců na známý tvar vinylových desek, ale byl vyroben z tvrdých plastů a šelaku. Kolem roku 1901 měl 12palcový gramofonový disk pouze 4minutovou stopu a hovořil o problémech kódování složitých vzorů zvuku na disk. Současně válec Edison Amberol vydržel 4 minuty 30 sekund, ale točil se 160 otáčkami za minutu. Brzy poté se celuloid stal záznamovým médiem své doby a disk byl de facto „standardem“, protože byl mnohem lépe skladovatelný.

V roce 1925 byl konečně vyvinut skutečný standard, který zaznamenává kolem 78 $ {{0, 0,26} _ {- 0,08} $ ot / min, což vede pouze k 0,34 rozdíl mezi otáčkami mezi oblastmi síťového napětí 60 nebo 50 Hz (i když potřebovaly různé prstence kodéru), což umožňuje zaměnitelné záznamy mezi oběma typy strojů. Všechny tyto nahrávky byly kódovány přirozeně: vibrace membrány v záznamovém nástroji by byly přenášeny 1: 1 na vibrační stylus, který by pak kódoval takovým způsobem, aby stroj reprodukoval to, co záznam „slyšel“, celkem přesně .

Když Vinyl přišel na hrací pole jako záznamové médium na konci druhé světové války, došlo k výměně typu čtecí jehly: místo jehly, která by přímo míchala membránu, zafírové jehly to by míchalo elektrický snímač, který by zase aktivoval reproduktor. Ale zatímco technologie nahrávání postupovala, délka stopy 12palcového disku byla stále omezena na asi 4 minuty při 78 otáčkách za minutu. Více než toto by dosáhlo pouze v posledních letech svého používání aplikací LP technologií, které by v padesátých letech těsněji zabalily trať a dosáhly 17 minut.

V roce 1948 přišla LP, kterou známe jako klasický vinyl záznam. Při jeho uvedení by to mohlo napěchovat 23 minut na jednu stranu, což by umožnilo použití pouze 33,5 otáček za minutu jako rychlosti záznamu a tenčí, mnohem těsnější vinuté háje, což by zvýšilo hustotu informací o faktor 5,75 u 12palcového disku. Sedmipalcové „singly“ s 45 otáčkami za minutu vyšly o 4 roky později. Během 10 let varianty s kódováním 33,5 a 45 otáček za minutu téměř úplně nahradily trh se 78 otáčkami za minutu.

Vinyl

Jak ukazuje historie analogických nahrávek, kódování zvukového signálu je teoreticky poměrně snadné, v praxi náročné. Typická 12palcová LP vinylová deska o délce 20 minut je háj, který je dlouhý 427 metrů a stočený 667krát. To znamená, že jedna drážka je široká mezi 0,04 a 0,08 mm - se stejně tenkou stěnou mezi nimi. To znamená, že abyste dosáhli tištěného záznamu fonografu, musíte tisknout přesně do 40 mikronů, abyste získali prázdnou stopu. Musíme však také přidat signál na vrchol. A tady nastává skutečný problém:

Prázdná stopa má přibližně 22 µm odchylky, které jehla obvykle vůbec nezachytí. Prach, který občas vytváří praskání, je ve stejné oblasti (1–100 µm). Skutečný zvukový signál je zakódován tak, aby měl funkce malé až 75 nanometrů. To je o 3 veličiny nižší než pouhá geometrie háje a stejně mnohem nižší, než jaké dnes může dosáhnout jakákoli tiskárna - včetně SLS - protože 50 µm je v roce 2019 často považováno za spodní hranici.

Ukázat, jak mnoho drobných vad by zničilo kvalitu zvuku, podívejte se na toto rychlé obsazení vinylové desky. Rozlišení negativu a následně nahraného záznamu je dost dobré na to, aby bylo možné hudbu rozeznat, ale pryskyřičné obsazení obsahovalo tolik plynových bublin, že úroveň hluku kopie byla velmi vysoká.

Bonus: Na rozdíl od cylindry kódování signálu na discích se mění od začátku do konce! Vinyl se točí konstantní rychlostí, ale poloměr od středu se mění, což vede k tomu, že se rychlost v kterékoli části háje liší, protože $ | v | = | \ omega \ vec r \ sin (\ theta) | $ , kde omega je rychlost v rad za sekundu, theta je úhel reedingu, takže v tomto případě se sinusový termín stane 1 a zmizí. Tento faktor je třeba vzít v úvahu při kódování, takže výška záznamu se nemění, pokud záznam není vytvořen přirozeně vepsáním signálu na rotující disk.

Jiné kódování

Rumble Strips

Je však docela snadné vytvořit strukturu, která vytváří zvuky na základě interakce s jiným tělem. Dálniční zvukové pásy vytvářejí zvuky, jak pneumatiky automobilu narážejí nahoru a dolů, čímž se auto a pneumatiky mění v rezonanční těla, zatímco ulice na ně „bije“. V případě velkého bicího nástroje, jako je auto, mluvíme o centimetrové stupnici.

Peg-Cylinder

Velmi jednoduchou metodou by bylo vrátit se ke kódování a zkontrolovat notový zápis, ale omezení délky not na jednu jednotku. Výsledkem kódování hudby jsou kolíky nebo hřebeny na válci, které lze poté použít k aktivaci mechanismu dekódování hudby a vytváření zvuků jako v hudební skříni. V hudební skříni tohoto druhu je poptávka po přesnosti asi o 3 až 5 stupňů nižší než u vinylových desek: mluvíme o desetině stupnice od milimetru do centimetru.

Taková hudební skříňka nebo noisemaker lze snadno vytisknout a je to do značné míry rachotivý pás svinutý kolem válce. Délka vzorku je určena rozlišením, rychlostí přehrávání a průměrem válce, zatímco složitost je určena řadami kolíků: noisemaker je do značné míry hudební nota s vysokou rychlostí 1 noty. Jedna rotace obvykle uchovává přibližně 25 až 30 sekund. Typickými příklady by byla první část Für Elise nebo Marble Machine (mezi druhou 30 a 35 se kódovací kolečko otáčí o 1 pětinu). Některé orgány hlavně používají také kolíkovou metodu, například viz zde. S trochou triku by jeden válec mohl být použit k kódování více částí, které hrají jeden po druhém, jakmile se provede rotace a umlčí některé části stroje v závislosti na zvláštním kodéru, jako tento 3-dílný Für Elise hudební skříň.

Hole-Plate (-strip)

Jinou metodou by bylo zakódování hudby jako děr v souvislém pásu a použití vzduchu jako metody dekódování. Pokud se pak vzduch dostane do potrubí, máme pouliční varhany. Typicky by se jako zakódovaná zpráva použil papírový proužek, ale mohl by se vytisknout stejně dobře, zvláště pokud se používá nastavení, které místo svinutého papíru používá desky, které jsou k sobě zavěšeny, jako v tomto příkladu. S takovým způsobem, jak skrýt extra délku, horní hranice pro délku hudby snadno stoupne z několika sekund na několik minut, a to i při tak špatném kódování.

Myslím, že je to téměř proveditelné. V této odpovědi předpokládám, že chcete vytvořit objekt typu „rumble strip“, který bude reprodukovat záznam lidské řeči. Předpokládám, že se nestaráte o kvalitu zvuku, pouze chcete, aby slova byla srozumitelná.

Hlavní věci, které je třeba vzít v úvahu, jsou rozlišení tiskárny, velikost objektu, který má být vytištěn, a vzorkovací frekvence. Tyto faktory společně určují délku zvuku a rychlost, jakou se po něm musíte pohybovat, abyste zvuk reprodukovali.

Začněme vzorkovací frekvencí. CD má vzorkovací frekvenci 44 100 vzorků za sekundu (Hz), ale to může být trochu ambiciózní. Telefony používají nižší vzorkovací frekvenci 8 000 a zde se uvádí, že řeč je stále srozumitelná při vzorkovací frekvenci 2 500 Hz. Pojďme s touto rychlostí.

Nyní se podívejme na rozlišení tiskárny. Typická velikost trysky je 0,2 mm, což pravděpodobně omezuje rozlišení přibližně na tuto velikost, i když pravděpodobně budete při lepší péči lepší a myslím si, že lidé v této komunitě s tím budou schopni pomoci. Hádám, že byste chtěli vytisknout objekt vodorovně, takže máte co do činění s rozlišením xy místo rozlišení z. (Všimněte si, že 3D tiskárny s pryskyřicí mají mnohem lepší rozlišení, takže by mohly být pro tento úkol ideální, i přes jejich menší objemy tisku.) Začněme tím, že předpokládáme, že naše rozlišení je 0,2 mm, protože u každé tiskárny by to mělo být snadné.

To znamená, že každý vzorek ve zvukovém souboru zabírá přibližně 0,2 mm. Řekněme, že máme jednu sekundu řeči - to je dostatečně dlouhá doba na to, abychom řekli například „Ahoj!“ - při 2500 Hz. To znamená, že máme 2500 vzorků. 2500 * 0,2 mm = 500 mm, takže váš dunivý pás bude dlouhý asi 1/2 metru. Je nepravděpodobné, že se vejde na vaši tiskovou postel, ale můžete ji vytisknout po částech a slepit je - pravděpodobně je můžete vytisknout všechny najednou. Dalo by se to dokonce stočit do spirály, což by ještě více připomínalo vinylovou desku.

Pak už jen stačí vzít tuhý předmět jako kytarový trsát a správnou rychlostí ho posunout podél pruhu tak, aby to trvalo asi 1 sekundu. Pak byste měli slyšet přehrávaný zvuk. Připojení rezonátoru k trsátku nebo pásku by mělo zvýšit hlasitost.

Zvýšení rozlišení sníží délku pásku nebo vám umožní přehrát delší zvuk pro stejnou délku pásku nebo zvýší hlasitost vzorkovací frekvence. Např. pokud můžete dosáhnout rozlišení 0,1 mm, můžete místo toho přehrát 2sekundový zvuk při použití stejné délky rachotícího pásu o délce 0,5 m.

Vytvoření objektu v zásadě není těžké, ale ne Neznám žádný software, který by to dokázal po vybalení z krabice. Musíte pouze zajistit, aby výška povrchu odpovídala tvaru vlny. Kdybych to dělal, pravděpodobně bych napsal skript v Pythonu, který by změnil vlnový soubor na seznam čísel, a potom je vložit do polygonové funkce OpenSCADu, kterou bych pak vytlačil, abych vytvořil objekt. Jiní však mohou znát jednodušší způsob.

Zde je alternativa, která využívá relativně (!!) vysoce přesných vrstev 3D tiskárny: Vytvořte lithopanový proužek a pro reprodukci zvuku použijte optický senzor.

Toto (bylo) provedeno za účelem kódování zvukové stopy pro filmy vedle rámů obrazu ve filmovém pásu (kotouč). V podstatě tloušťka tisku v daném místě moduluje optickou propustnost a tím i sílu signálu z fotodetektoru.

Všimněte si, že stejně jako u filmových kotoučů budete potřebovat spoustu nemovitostí, abyste zaznamenali slušné množství zvuku.