Эффект нелинейной компрессии аудиоинформации; фундаментальные основания и подходы к реализации

• Автор: Гарбузов, Богдан Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 186 с. : ил

Содержание
Введение
1 Модели акустических систем и процессов
1.1 Источники, приемники и передатчики звука
1.2 Нелинейность и стохастичность в колебательных системах
2 Моделирование системы речеобразования
2.1 Акустическая фонетика
2.2 Кинематика и динамика артикуляторных органов
2.3 Акустика речевого тракта
2.4 Нестационарные и параметрические явления
2.5 Простейшая интерпретация системы речеобразования
2.6 Модель одной однородной акустической трубы
2.7 Моделирование возбуждения звуков в голосовом тракте
2.8 Модель из нескольких акустических труб
2.9 Общая дискретная модель речеобразования
3 Моделирование системы слухового восприятия
3.1 Восприятие по частоте
3.2 Восприятие по амплитуде
3.3 Временные характеристики слуха
3.4 Восприятие импульсов
3.5 Нелинейные свойства слуха
3.6 Бинауральный эффект
4 Моделирование источников мелодических колебаний
4.1 Музыкальные ноты
4.2 Струны
4.3 Стержни
4.4 Мембраны и пластинки
4.5 Резонаторы и трубы
5 Моделирование среды передачи/хранения аудиоинформации
5.1 Нелинейные звуковые волны в среде
5.2 Теория систем связи
6 Основные методы аудиокомпрессии
6.1 Импульсно-кодовая модуляция (РСМ)
6.2 Клиппирование
6.3 Линейное предсказание
6.4 GSM
6.5 MPEG
6.6 MIDI

7 Эффект нелинейной аудиокомпрессии
7.1 Теоретические предпосылки и основания эффекта
7.2 Быстрое скользящее преобразование Фурье
7.3 Подходы к реализации систем нелинейной аудио компрессии
7.4 Практические результаты
Заключение
Список литературы
Список патентов
Приложение 1. Патенты лиц, оказавших влияние на разработку
алгоритма MPEG
Приложение 2. Фазовые плоскости ноты «До» первой октавы для
различных музыкальных инструментов
Приложение 3. Фазовые плоскости некоторых нот в исполнении
сопрано-саксофона

Благодарности
В работе над диссертацией мне помогали многие люди, без которых ее появление на свет вряд ли могло состояться. Среди них нельзя не отметить моего брата Гарбузова Михаила Владимировича за бесценную помощь, оказанную им при оформлении иллюстративного материала. Хочу поблагодарить главного редактора '• агентства «ПРАИМ-ТАСС» Ананьева Олега Владиленовича и начальника технического отдела Голубева Владимира Алексеевича за помощь в получении патента на изобретение, а также инженера-конструктора І кат. ГУП «КБП» Дружинина Николая Леонидовича за помощь в правильном оформлении заявки на получение патента. Особую благодарность хотелось бы выразить профессору Щенникову Владимиру Вениаминовичу за ряд сделанных им ценных замечаний и предложений. И, наконец, подготовка к печати этой работы была бы немыслима без замечательной системы верстки сложных математических текстов Т^Х, созданной Дональдом Кнутом, и ее расширения — ІАЩХ, созданного Лесли Лампортом. Ну и, конечно, нельзя не упомянуть композитора Эндрю Ллойда Уэббера, чьи произведения вдохновили меня на создание этой работы.

Подставляя (17.1) и (17.2) в (15) и (16.1-16.2), получаем
(18.1)
(18.2)
Yu(x, 12)
Заметим, что (18.1-18.2) почти совпадает с (10). Различие состоит в том, что появился член Yu (за счет учета проводимости стенок) и акустические сопротивление и проводимость оказываются функциями х. Если труба однородна и П0(т) постоянна, то (11) и (12) совпадают с (19.1-19.2).
По измерениям, проведенным на теле языка [27], в [35]8 вычислены параметры (19.3), после чего дифференциальные уравнения (18.1-18.2) были решены для граничных условий p(l, t) = 0 около губ. Отношение
К(Ш) =
изображено на рис. 18 как функция 12 для однородной трубы длиной 17.5 см [35]. Результат близок к рис. 16, но имеет существенное отличие. Видно, что резонансы в этом случае расположены не на оси г 12 в 5-плоскости. Это означает, что частотная характеристика уже не равна бесконечности на частотах 500, 1500, 2500 Гц и т. д., хотя она и имеет максимумы на этих частотах. Центральные частоты и ширина этих резонансных областей9 приведены в таблице (рис. 18). Отметим несколько существенных особенностей этого примера. Во-первых, центральные частоты расположены выше, чем в случае трубы без потерь. Во-вторых, ширина резонансных областей отлична от нуля, так как на резонансной частоте частотная характеристика имеет конечное значение. Влияние мягкости стенок наиболее существенно проявляется на низких частотах. Этого можно было ожидать, так как массивные стенки незначительно отклоняются на высоких частотах.
Результаты этого примера отражают типичные явления, происходящие при вибрации стенок голосового тракта; центральные частоты несколько смещаются в область верхних частот, резонансные области низких частот оказываются более широкими, чем в других диапазонах. Эффекты вязкого трения и теплопроводности оказывают значительно меньшее влияние, чем вибрация стенок. Фланаган [27] подробно исследовал эти явления и установил, что влияние вязкого трения можно
8См. также:
М. R. Portnoff and R. W. Schafer, «Mathematical Considerations in Digital Simulations of the Vocal Tract,» J. Acoust. Soc. Am., Vol.53, No.l (Abstract), p. 294, January 1973.
°Ширігаа резонансных областей определяется по уровню 0.707.
Z(x, 12) = ІІ
Y(x, 12) = ii
А0{х)’
Ло(т)
ііїтш{х) + Ьш(х) + ku(x)/iü'
(19.1)
(19.2)
(19.3)
-у- = ZU-

~~ = YP + YUP, ах