Chương I: Trình bày kiến thức cơ sở về âm thanh từ đặc điểm của sóng âm thanh đến tín hiệu âm thanh tương tự chuyển đổi sang tín hiệu âm thanh số. Chương II: Trình bày về các giải thuật nén âm thanh và các định dạng âm thanh thực tế Chương III: Trình bày mã hoá – nén tín hiệu âm thanh ứng dụng trong phát thanh số- mã hoá dải con với tổ hợp hệ số phân chia[6, 6, 6, 4, 4] và mô phỏng kết quả z 15 CHƢƠNG I: KIẾN THỨC CƠ SỞ 1.1- Định nghĩa Âm thanh là các dao động cơ học của các phân tử, nguyên tử hay các hạt làm nên vật chất và lan truyền trong vật chất như các sóng. Âm thanh, giống như nhiều sóng, được đặc trưng bởi tần số, bước sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh). Đối với thính giác của người, âm thanh thường là sự dao động trong dải tần số từ khoảng 20 Hz đến 20 kHz, của các phân tử không khí, và lan truyền trong không khí, va đập vào màng nhĩ, làm rung màng nhĩ và kích thích bộ não.
Âm thanh bao gồm các tần số cao hơn hay thấp hơn tần số mà tai người có thể nghe thấy, và không chỉ lan truyền trong không khí, mà trong bất cứ vật liệu nào. Trong định nghĩa này, âm thanh là sóng cơ học và theo lưỡng tính sóng hạt của vật chất, sóng này cũng có thể coi là dòng lan truyền của các hạt phonon, các hạt lượng tử của âm thanh.2- Quá trình truyền lan của âm thanh Sóng âm thanh từ một vật thể rung động phát ra, được lan truyền trong không gian, tới tai ta làm rung động màng nhĩ theo đúng nhịp điệu rung động của vật thể đã phát ra âm thanh, nhờ đó mà tai nghe được âm thanh. Một môi trường vật chất mà trong đó sóng âm lan truyền được gọi là trường âm. Trong không khí, âm thanh lan truyền ở dạng sóng dọc (hình 1.1), phương dao động trùng với phương chuyển động.
Với phương thức lan truyền này, các phần tử không khí sẽ tạo thanh những vùng ép (không khí đặc lại) và vùng dãn (không khí loãng ra) thay đổi nhau. Vùng ép làm cho thanh áp tăng lên, vùng dãn làm cho thanh áp giảm đi. Trong quá trình lan truyền của âm thanh các phần tử không khí chỉ dao động tại chỗ, nghĩa là sóng âm không vận chuyển vật chất mà chỉ truyền năng lượng. Trong không khí cũng như chất khí nói chung và trong chất lỏng âm thanh chỉ truyền lan ở dạng sóng dọc.1: Dạng truyền lan của sóng dọc - sóng ngang z 16 Trong chất rắn, ngoài dạng sóng dọc âm thanh còn truyền lan ở dạng sóng ngang (hình 1.1), phương dao động vuông góc với phương chuyển động.
Trong chất rắn còn tồn tại các dạng sóng đặc biệt như sóng uốn trong các dạng tấm và màng mỏng, sóng xoắn trong các dạng dây và thanh Trong không khí sóng âm lan truyền từ nguồn ra tất cả các hướng. Nếu nguồn âm có kích thước nhỏ so với bước sóng thì ta có thể coi nó như nguồn âm điểm, và sóng âm sẽ lan tỏa từ một điểm đó ra không gian như những hình cầu lớn dần. Dạng sóng âm này được gọi là sóng cầu. Càng xa nguồn âm, các mặt cầu càng lớn và vòm cầu càng phẳng dần, tới một giới hạn nào đó có thể coi mặt sóng như một mặt phẳng, được gọi là sóng phẳng (hình 1.
Sóng cầu càng xa nguồn âm cường độ càng suy giảm. Sóng phẳng, cường độ có thể coi như không đổi trên đường lan truyền (trên lý thuyết), còn trong thực tế nó suy giảm rất ít.2: Dạng sóng ở trường gần và trường xa của một nguồn âm Trong môi trường chân không âm thanh không thể truyền lan được vì không tồn tại các phần tử để truyền năng lượng âm. Một số chất truyền âm rất kém, thường là loại mềm, xốp như bông ,cỏ khô, dạ. Các chất này gọi là chất hút âm, được dùng lót tường ở các rạp hát, rạp chiếu phim, phòng bá âm để hút âm, giảm tiếng vang.3- Các đại lƣợng vật lý của âm thanh [6],[11] 1.1- Tần số Tần số của một âm đơn là số lần dao động của khí không khí truyền dẫn âm trong một giây.
Đơn vị đo tần số là Hz – Hertz (1MHz = 1000kHz = 1000000Hz). Tần số biểu thị cao độ của âm thanh: Tiếng trầm có tần số thấp, tiếng bổng có tần số cao. Tai người có thể nghe được các tần số thấp từ 16Hz và tần số cao tới z 17 20000Hz. Dải tần số từ 16Hz đến 20Khz gọi là dải âm tần.
Những âm có tần số dưới 16Hz được gọi là hạ âm, những âm có tần số trên 20kHz gọi là siêu âm. Tiếng nói của con người có tần số trung bình từ 300Hz đến 3400Hz. Ứng với mỗi tần số dao động f có chu kỳ dao động T[s] (chu kỳ dao đông âm thanh là thời gian âm đó dao động được một lần) và một bước sóng λ[m] (hình 1.3) Biên độ Bước sóng λ Chù kỳ T Hình 1.3: Biểu diễn mối tương quan toán học giữa các đại lượng của sóng âm 1 T ta có CT (1.1) f trong đó C là tốc độ tryền lan của âm thanh trong không khí C = 340m/s. Vậy bước sóng của âm thanh là khoảng cách truyền lan của âm thanh tương ứng với một chu kỳ dao động.
Bước sóng của âm thanh tương ứng trong dải âm tần là từ 21. Trong thực tế một âm phát ra không phải là một âm đơn, mà là một âm phức. Âm phức bao gồm âm đơn và một số âm hài có tần số gấp 2, 3, 4.2- Áp suất âm thanh Trong môi trường không khí tồn tại một áp suất khí quyển, khi có tác động của âm thanh thì làm cho áp suất khí quyển sẽ dao động. Độ dao động của áp suất của khí quyển khi bị sóng âm thanh tác động được gọi là áp suất âm thanh.
Áp suất âm thanh hay còn gọi là thanh áp có đơn vị là Pascal [Pa], 1Pa= 1N/m2. Áp suất do âm thanh tạo ra ở một điểm gọi là thanh áp tại điểm đó. Thanh áp tác động lên mọi hướng không gian như nhau. Trong trường gần, thanh áp biến đổi theo tỷ lệ nghịch với khoảng cách 1 (p ) và không phụ thuộc vào tần số r Trong thực tế ta thường biểu thị thanh áp ở dạng mức- mức thanh áp đơn vị là đo là đêxiben dB.
Công thức đo mức thanh áp được xác định như sau z 18 p L 20 lg [dB] (1.2) po Trong đó p là thanh áp, po là thanh áp chuẩn (thanh áp chuẩn là trị số thanh áp của ngưỡng nghe và bằng 2.3- Tốc độ dao động âm Khi có tác động của sóng âm thanh, các phần tử không khí dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó. Tốc độ dao động của các phần tử không khí do tác động của âm thanh gọi là tốc độ dao động âm (ký hiệu là v [m/s]). Ở nhiệt độ 20 oC và áp suất khí quyển bình thường, âm thanh truyền lan trong không khí với tốc độ 340m/s, còn tốc độ dao động âm thì cực nhỏ phụ thuộc vào cường độ âm thanh. Trong dải thanh áp từ 10 -9 đến 10-3 átmốtphe thì tốc độ dao động âm tương ứng từ 2,5.
Trong trường gần, tốc độ dao động âm phụ thuộc vào tần số, ở tần số thấp nó biến đổi nhanh hơn theo khoảng cách, biến đổi theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng 1 cách ( v ) r2 Trong trường âm của sóng phẳng (trường xa), thanh áp cũng như hiệu thanh áp và tốc độ dao động âm đồng pha và tỷ lệ thuận với nhau. Với sóng cầu (ở trường gần) thanh áp và tốc độ dao động âm lệch pha với nhau, và càng gần nguồn âm thì độ lệch pha sẽ tiến tới gần 900, hai đại lượng này sẽ không tỷ lệ thuận với nhau Tỷ số giữa thanh áp và tốc độ dao động gọi là trở kháng âm (hình 1.c z: trở kháng âm (Ns/m3) p: Tỷ trọng không khí (kg/m2) Hình 1.4: Mối liên hệ giữa các đại lượng của âm thanh 1.4- Công suất âm thanh Công suất âm thanh là năng lượng âm thanh đi qua đơn vị diện tích S [m2] trong khoảng thời gian một giây. Công suất âm thanh có thể tính bằng công thức z 19 P pvS (1.3) Trong đó p là thanh áp, v là tốc độ dao động của một phần tử không khí tại thời điểm đang xét, S là diện tích mà năng lượng âm thanh đi qua. Đơn vị đo công suất âm thanh là W 1.5- Cƣờng độ âm thanh Cường độ âm thanh là công suất âm thanh đi qua một đơn vị diện tích 1cm2 đặt vuông góc với phương truyền âm trong một đơn vị thời gian P I pv (1.4) S Trong đó ba đại lượng áp suất âm thanh, công suất âm thanh, cường độ âm thanh có quan hệ với nhau: P IS pvS.
Cả ba thông số đều biểu thị độ lớn nhỏ của âm thanh. Âm thanh có năng lượng càng lớn thì công suất, cường độ và áp suất của âm thanh càng lớn.4- Quá trình cảm thụ của tai ngƣời đối với âm thanh Tai người có thể nghe được âm thanh trong dải tần số từ 20Hz ÷ 20. Người già nghe tiếng thanh kém hơn người trẻ. Ta có thể phân biệt được 130 mức thanh áp khác nhau, mỗi mức cách nhau 1dB.
Tai người nghe nhậy với các tần số trong khoảng 500Hz ÷ 5000Hz. Đường đẳng thính thể hiện đặc tính của tai người 100 phon 100 dB 80 80 60 60 40 40 20 20 3 0 20 50 100 Hz 500 1 2 5 kHz Hình 1.5: Đường đẳng thính- đặc tính tai người z 20 Đường cong biểu diễn cảm giác nghe to bằng nhau ở các tần số khác nhau gọi là đường đẳng thính. Cảm giác về độ to của âm thanh được gọi là âm lượng (volume), đơn vị đo âm lượng được gọi là phon (phon là đơn vị đo độ to nhỏ của âm thanh thông qua độ nhạy chủ quan của tai người).5 biểu diễn đường đẳng thính ở các mức âm lượng khác nhau đối với những sóng âm đến tai ta từ phía trước mặt.5 ta thấy Ở tần số 1000Hz âm lượng và mức thanh áp là như nhau.