Звук при использовании компьютера основан на процессе
Обновлено: 21.11.2024
В прошлом году ученые сделали большой шаг к созданию компьютеров следующего поколения.
Впервые они сохранили информацию о свете в виде звуковых волн на компьютерном чипе. Исследователи сравнили это с записью молнии как грома.
Хотя это может показаться немного странным, это преобразование имеет решающее значение, если мы когда-нибудь захотим перейти от наших нынешних неэффективных электронных компьютеров к компьютерам на основе света, которые передают данные со скоростью света.
Световые или фотонные компьютеры могут работать как минимум в 20 раз быстрее, чем ваш ноутбук, не говоря уже о том, что они не выделяют тепло и не потребляют энергию, как существующие устройства.
Это связано с тем, что теоретически они будут обрабатывать данные в виде фотонов, а не электронов.
Мы говорим «теоретически», потому что, несмотря на то, что такие компании, как IBM и Intel, стремятся к облегченным вычислениям, о переходе легче сказать, чем сделать.
Закодировать информацию в фотоны достаточно просто — мы уже делаем это, когда отправляем информацию по оптическому волокну.
Но найти способ, с помощью которого компьютерный чип сможет извлекать и обрабатывать информацию, хранящуюся в фотонах, сложно из-за того, что делает свет таким привлекательным: он чертовски быстр для чтения существующими микрочипами.
Вот почему световая информация, которая передается по интернет-кабелю, в настоящее время преобразуется в медленные электроны. Но лучше было бы замедлить свет и преобразовать его в звук.
И именно этого добились исследователи из Сиднейского университета в Австралии.
«Информация в нашем чипе в акустической форме распространяется со скоростью на пять порядков меньше, чем в оптической области», — сказала в то время руководитель проекта Биргит Стиллер.
"Это как разница между громом и молнией."
Сиднейский университет
Это означает, что компьютеры могут пользоваться преимуществами передачи данных с помощью света — высокой скоростью, отсутствием нагрева, вызванного электронным сопротивлением, и отсутствием помех от электромагнитного излучения, — но они также могут замедлять передачу данных настолько, чтобы компьютерные микросхемы могли сделать с ним что-нибудь полезное.
"Чтобы [компьютеры на основе света] стали коммерческой реальностью, фотонные данные на чипе должны быть замедлены, чтобы их можно было обрабатывать, маршрутизировать, хранить и получать к ним доступ", – сказал Мориц Мерклейн, один из членов исследовательской группы. .
"Это важный шаг вперед в области оптической обработки информации, поскольку эта концепция отвечает всем требованиям к системам оптической связи текущего и будущих поколений", – добавил член команды Бенджамин Эгглтон.
Команда сделала это, разработав систему памяти, которая точно передает световые и звуковые волны на фотонный микрочип — тип чипа, который будет использоваться в компьютерах на основе света.
Вы можете увидеть, как это работает, на анимации ниже:
Сначала фотонная информация поступает в чип в виде импульса света (желтый), где она взаимодействует с импульсом записи (синий), создавая акустическую волну, которая сохраняет данные.
Другой импульс света, называемый импульсом чтения (синий), затем получает доступ к этим звуковым данным и снова передает их как свет (желтый).
Хотя беспрепятственный свет проходит через чип за 2–3 наносекунды, после сохранения в виде звуковой волны информация может оставаться на чипе до 10 наносекунд, что достаточно для ее извлечения и обработки.
Тот факт, что команда смогла преобразовать свет в звуковые волны, не только замедлил его, но и сделал получение данных более точным.
И, в отличие от предыдущих попыток, система работала в широком диапазоне частот.
"Создание акустического буфера внутри чипа улучшает нашу способность контролировать информацию на несколько порядков", — сказал Мерклейн.
"Наша система не ограничена узкой полосой пропускания. Поэтому, в отличие от предыдущих систем, она позволяет нам одновременно хранить и извлекать информацию на нескольких длинах волн, что значительно повышает эффективность устройства", – добавил Стиллер.
Первоначальная версия этой статьи была впервые опубликована в сентябре 2017 года.
Сам звук — это колебания воздуха, вызывающие волны. Таким образом, если бы кто-то «смотрел» на звук, а не слышал его, он был бы очень похож на некую форму следующей синусоидальной волны.
Простая звуковая волна
Реальная форма этой звуковой волны может быть очень сложной. Его фактическая форма определяется тремя факторами:
- Амплитуда: или насколько громкий звук.Чем выше функция sin, тем громче звук.
Низкая амплитуда (вверху) и высокая амплитуда (внизу)
- Частота. Или высота звука. Также может быть переписан как период. Частота — это частота колебаний синусоидальной волны. Чем больше он колеблется, тем выше тон.
Высокая частота (вверху) и низкая частота (внизу)
- Фаза. Или как на самом деле выглядит звуковая волна. По сути, это форма синусоидальной волны,
Взгляд на разные этапы
Эти звуковые формы можно записать, а затем преобразовать в информацию на компьютере. Это делается посредством «оцифровки» или «квантования». Это делается путем измерения высоты определенных сигналов в определенные моменты времени, а затем сохранения этих измерений в виде двоичной информации.
КАК ЗАПИСЫВАЕТСЯ ЗВУК: АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ (АЦП)
Чтобы получить четкую запись звука, высота волны должна измеряться достаточно точно и достаточно часто. Это определяется следующим:
- Частота выборки. Или частота выборки. Как часто берутся образцы, определяется путем нахождения частоты Найквиста. Частота Найквиста — это самая высокая частота в записи, которую мы можем услышать. Затем мы умножаем это число на 2. Это число представляет собой частоту дискретизации или частоту записи звука.
ЧАСТОТА ВЫБОРКИ = ЧАСТОТА NYQUIST * 2
- Квантование: или насколько точно записывается высота фрагмента звуковой волны. От того, насколько точно он измерен, зависит количество двоичных битов для записи. Это определяется путем нахождения отношения сигнал/шум или динамического диапазона. Отношение сигнал/шум определяется путем деления самого громкого звука на самый тихий.
СООТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ = САМЫЙ ГРОМКИЙ ЗВУК / САМЫЙ ТИХИЙ ЗВУК
В целом частота выборки (частота дискретизации) и точность (квантование/отношение сигнал/шум) выглядят примерно так, как показано на следующем графике. Значения, взятые из этого графика, сохраняются как компьютерная информация.
Сравнение частот дискретизации (с указанием квантования)
После того, как эти сэмплы взяты и звук преобразован в двоичные числовые значения, запись передается на компьютер. Отсюда звук можно редактировать с помощью какой-либо компьютерной музыкальной программы. Так музыка преобразуется в компьютерную информацию в виде двоичных битов и байтов.
КАК ПРОИЗВОДИТСЯ ЗВУК: ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ В АУДИО (ЦАП) и СОЗДАНИЕ ЗВУКА
Когда музыка воспроизводится через динамики, процесс преобразования звука в цифру (АЦП) происходит в обратном порядке. Но поскольку измерения, сделанные в АЦП (сколь бы точны они ни были), являются приблизительными, всегда будут некоторые искажения в качестве звука. Однако обычно это невозможно обнаружить.
Компьютер также может создавать звук без необходимости воспроизведения предыдущей записи. Это можно сделать несколькими способами. Вот два распространенных способа воспроизведения звука компьютером:
- Синтез с частотной модуляцией (FM): или наложение звуковых волн. Компьютер берет несколько различных звуковых волн и накладывает их друг на друга, создавая сложные формы. Значения берутся из этих звуковых волн и преобразуются с помощью цифрового преобразования звука (ЦАП), а затем воспроизводятся через наушники или динамики.
- Синтез волновой таблицы: или с использованием сэмплов реальных инструментов. Взяв звуки, воспроизводимые реальными инструментами, и записав их несколько перекрывающихся сэмплов, можно воспроизвести настоящие звуки. Эти сэмплы часто встраиваются в программы для создания звука, и затем пользователь может редактировать их.
В целом, поскольку синтез волновой таблицы включает звуки реальных инструментов, он звучит гораздо больше как настоящие инструменты, чем синтез с частотной модуляцией.
После выполнения одного из этих процессов компьютерная информация преобразуется в звук с помощью цифрового преобразования в звук, динамики или наушники воспроизводят шум. Они делают это, приводя воздух в физическое движение с чрезвычайно точными колебаниями воздуха. Поскольку звук — это колебания воздуха или волны, мы можем слышать любой издаваемый шум.
Создание электронных звуков с помощью цифровых технологий быстро заменяет использование генераторов, синтезаторов и других аудиокомпонентов (теперь их обычно называют аналоговыми аппаратными средствами), которые были стандартными средствами композиторов электронной музыки. Цифровая схема и цифровое программирование не только более универсальны и точны, но и намного дешевле. Преимущества цифровой обработки очевидны даже для индустрии коммерческой звукозаписи, где цифровая запись заменяет давно зарекомендовавшие себя аудиотехнологии.
Три основных метода создания звуков с помощью компьютера – это извлечение знаковых битов, цифро-аналоговое преобразование и использование гибридных цифро-аналоговых систем. Однако из них только второй процесс представляет более чем исторический интерес. Извлечение знаковых битов иногда использовалось для композиций с серьезными музыкальными намерениями, например, в Computer Cantata (1963) Хиллера и Роберта Бейкеров и в Sonoriferous Loops (1965). ), Герберт Брюн. Сохраняется некоторый интерес к созданию гибридных цифро-аналоговых устройств, возможно, потому, что некоторые типы обработки сигналов, такие как реверберация и фильтрация, требуют много времени даже на самых быстрых компьютерах.
Цифрово-аналоговое преобразование стало стандартным методом компьютерного синтеза звука. Этот процесс был первоначально разработан в Соединенных Штатах Максом Мэтьюзом и его коллегами из Bell Telephone Laboratories в начале 1960-х годов. Самая известная версия программы, которая активировала этот процесс, называлась Music 5.
Цифрово-аналоговое преобразование (и обратный процесс, аналого-цифровое преобразование, которое используется для ввода звуков в компьютер, а не для их вывода) зависит от теоремы выборки. В нем говорится, что форма волны должна дискретизироваться с частотой, вдвое превышающей полосу пропускания системы, если сэмплы не должны содержать шум квантования (высокий вой для ушей). Поскольку полоса слухового восприятия составляет 20–20 000 герц (Гц), это определяет частоту дискретизации 40 000 отсчетов в секунду, хотя на практике достаточно 30 000, поскольку магнитофоны редко записывают что-либо значимое выше 15 000 Гц. Кроме того, мгновенные амплитуды должны иметь размер не менее 12 бит, чтобы переходы от одной амплитуды к другой были достаточно малы, чтобы отношение сигнал/шум превышало коммерческие стандарты (от 55 до 70 дБ).
Music 5 – это больше, чем просто программная система, поскольку она представляет собой программу "оркестровки", которая имитирует многие процессы, используемые в студии классической электронной музыки. В нем указаны единичные генераторы для стандартных сигналов, сумматоры, модуляторы, фильтры, ревербераторы и так далее. Он был достаточно обобщен, чтобы пользователь мог свободно определять свои собственные генераторы. Music 5 стала прототипом программного обеспечения для инсталляций по всему миру.
Одна из лучших была разработана Барри Верко из Массачусетского технологического института в 1970-х годах. Эта программа под названием Music 11 работает на компьютере PDP-11 и представляет собой тщательно разработанную систему, которая включает в себя множество новых функций, включая ввод и вывод графической партитуры. Учебная программа Vercoe обучила практически целое поколение молодых композиторов компьютерной обработке звука. Еще одним важным достижением, обнаруженным Джоном Чаунингом из Стэнфордского университета в 1973 году, было использование цифровой ЧМ (частотной модуляции) в качестве источника музыкального тембра. Использование графического ввода и вывода, даже нотной записи, было значительно развито, в частности, Мэтьюзом из Bell Telephone Laboratories, Леландом Смитом из Стэнфордского университета и Уильямом Бакстоном из Университета Торонто.
Существуют и другие подходы к обработке цифрового звука. Например, растет интерес к аналого-цифровому преобразованию как инструменту композиции. Этот метод позволяет подвергать цифровой обработке конкретные и записанные звуки, в том числе и человеческий голос. Чарльз Додж, композитор из Бруклинского колледжа, написал несколько партитур, включающих вокальные звуки, в том числе Cascando (1978) на основе радиоспектакля Сэмюэля Беккета и Any Resemblance Is Purely Совпадение (1980), для измененного компьютером голоса и записи. Классическая студия musique concrète, основанная Пьером Шеффером, превратилась в цифровую инсталляцию под руководством Франсуа Бейля. Его основной акцент по-прежнему делается на манипулировании конкретными звуками. Следует также упомянуть совершенно другую модель синтеза звука, впервые исследованную в 1971 году Хиллером и Пьером Руисом; они запрограммировали дифференциальные уравнения, которые описывают вибрирующие объекты, такие как струны, пластины, мембраны и трубки. Этот метод, хотя и неприемлем с математической точки зрения и занимает много времени на компьютере, тем не менее, потенциально привлекателен, поскольку не зависит ни от концепций, напоминающих аналоговое оборудование, ни от данных акустических исследований.
Еще одним важным достижением является производство специализированных цифровых машин для использования в живых выступлениях. Все такие инструменты зависят от новых типов микропроцессоров и часто от некоторых специализированных схем. Однако, поскольку эти инструменты требуют вычислений и преобразования в реальном времени, их универсальность и разнообразие тембров ограничены. Однако, без сомнения, эти инструменты будут быстро улучшаться, потому что для них есть коммерческий рынок, включая популярную музыку и музыкальное образование, который намного превышает небольшой мир композиторов-авангардистов.
Некоторые из этих исполнительских инструментов созданы специально для удовлетворения потребностей конкретного композитора. Примером может служить Sal-Mar Construction Сальваторе Мартирано (1970). Однако большинство из них предназначены для замены аналоговых синтезаторов и поэтому оснащены обычными клавиатурами. Одним из первых таких инструментов был синтезатор «Egg», созданный Майклом Манти в Орхусском университете в Дании. Позже Synclavier был выпущен на рынок как коммерческий инструмент, использующий цифровое оборудование и логику. Для 1980-х годов он представляет собой цифровой эквивалент синтезатора Moog 1960-х годов.
Однако самый передовой цифровой синтез звука по-прежнему осуществляется в крупных институциональных установках. Большинство из них находятся в университетах США, но количество объектов в Европе строится все больше. Instituut voor Sonologie в Утрехте и LIMB (Laboratorio Permanente per l’Informatica Musicale) в Университете Падуи в Италии напоминают американские учреждения из-за их академической принадлежности. Однако совсем другим является IRCAM (Institut de Recherche et de Coordinate Acoustique/Musique), часть Центра Помпиду в Париже. IRCAM, возглавляемый Пьером Булезом, представляет собой сложное учреждение для исследования и исполнения музыки. Все больше внимания уделяется всем аспектам компьютерной обработки музыки, включая композицию, звуковой анализ и синтез, графику и разработку новых электронных инструментов для исполнения и педагогики. Это впечатляющая демонстрация того, что электронная и компьютерная музыка достигла совершеннолетия и вошла в основное русло музыкальной истории.
В заключение следует отметить, что наука добилась огромного расширения музыкальных ресурсов, предоставив композитору доступ к спектру звуков, начиная от чистых тонов на одном пределе и заканчивая случайным шумом на другом. Он сделал возможной ритмическую организацию музыки с недостижимой до сих пор степенью тонкости и сложности. Это привело к принятию определения музыки как «организованного звука». Это позволило композиторам, если они того пожелают, иметь полный контроль над своей работой. Это позволяет им, если они желают, устранить исполнителя как посредника между ними и их аудиторией. Это поставило критиков в затруднительное положение, потому что их анализ того, что они слышат, часто должен осуществляться исключительно их ушами, без какой-либо письменной партитуры.
Привет всем! Как и было обещано, вот некоторые сведения о DAWS и о том, как компьютеры производят звук. Этот пост в блоге является дополнением для тех из вас, кто читал мой предыдущий пост «Создание виртуального пианино и барабанного секвенсора». Если вы еще не проверили это, обязательно нажмите здесь!
В наши дни для создания музыки на компьютерах как любители, так и профессионалы используют DAW или цифровые звуковые рабочие станции — по сути, программное обеспечение для создания музыки. Можно записывать либо настоящие инструменты, либо программные инструменты, а затем управлять этими звуками с помощью программного обеспечения.
Например, синтезаторы и драм-пэды часто ассоциируются с DAW (на фото выше), так как же эти инструменты взаимодействуют с компьютерами?
Ответ: MIDI — цифровой интерфейс музыкальных инструментов. По сути, не существовало стандартного протокола связи между музыкальными инструментами и компьютерами до 1980-х годов, когда появился стандарт MIDI.
Возможно, вы слышали о таких DAW, как Garageband, Logic Pro или Reason — довольно популярном программном обеспечении. Но есть также библиотеки, которые можно импортировать в DAW, чтобы иметь инструменты для своего конкретного жанра. Например, можно написать симфонию, достойную Малера, с помощью такой программы, как Sibelius (на фото ниже) или Finale, и экспортировать этот файл в DAW с библиотекой классической музыки, не прикасаясь к скрипке.
Чтобы создавать звуки с помощью нашего собственного кода, мы используем библиотеки. Например, в Processing мы используем библиотеку SoundCipher, которая позволяет нам создавать звук и возиться с ним.
Для синтеза звука в компьютерах используются компоненты, называемые схемами генератора, которые создают вибрации для воспроизведения звука. Одной из самых основных используемых форм осциллирующих волн является синусоида — амплитуда волны соответствует звуку, а частота — высоте тона. Синусоидальная волна создает фортепианные тембры, тогда как другие формы волны, такие как пилообразная и прямоугольная, используются для струнных и язычковых инструментов соответственно.
Посмотрите на эти изображения, иллюстрирующие некоторые типы волн.
Волна греха
Прямоугольная волна
Хорошо, я надеюсь, что у вас есть более глубокое понимание того, как компьютеры производят звук! Если у вас есть идеи или вопросы, прокомментируйте ниже!
Читайте также: