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理想与现实的差距……..浅谈抽样定理 [复制链接]

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提出这样的观点需要慎重!


是的,须要一个人耳对方波频响的测试,至少到12KHz人耳是可分辨方波与正弦波的,那末要求的正弦波带宽至少要36KHz(3次谐波)。

顺带说一句,钢琴的波形包罗线是类似方波的,特别是上升沿。不管人们如何推崇LP,但不能刻录成方波就是一种失真(过阻尼),不是人们希望的,而是技术上达不到,这不能成为标准,当年Telarc为了刻录1812真炮版LP,采用了倒转方式刻录,幸好炮的前沿陡后沿缓,否则还无从下手了。
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csdam 在 2006-3-21 0:02:25 发表的内容
可有包含時基訊号誤差,BUS阜輸送失誤的失真計算在内?


前面的分析不包含,如果包含都有说明。
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另外,对于有的看法认为:人可以感受高于20kHz的声波。我对这个看法持一定的怀疑态度——至少我认为:假如靠人耳本身和人耳附近的头骨骨骼,我们无法感知超过22kHz的声波。

因为我可以通过测试来测试自己。

首先在我自己的电脑的配置下,用Cool Edit软件可以播放出最高达48kHz的声波;另外,用来聆听的Sennheiser HD580耳机,根据厂家给出的数据,在正负3分贝的前提下,该耳机的频响最高可达30kHz。

我首先生成一个21kHz的正弦波信号,戴上耳机,在音量中等的情况下,有若隐若现的声感;把音量调到最大,耳朵可以明显听到有高压、尖的感觉的让人不适的声音。因此可判定我自己的耳朵可感受具有一定强度的21kHz的声波。

接着我生成一个22kHz的正弦波信号,在电脑音量最大的情况下耳朵仍能感受到那种尖刺的不适感。

再接着,我生成一个23kHz的正弦波信号,在音量最大的情况下耳朵只能感受到隐隐约约的、我不太肯定是否有的压迫感觉。考虑到对于这个信号我的感觉不太肯定,所以我不敢肯定我的耳朵自身能够感受23kHz的信号。

后来,我生成一个25kHz的正弦波信号,不管音量调多大,我耳朵什么都没感受到(同时声卡的功率表显示此时声卡正输出强大的能量给耳机)。

因此对于我自己的耳朵本身来讲(不包括我的人体其他部位皮肤的感觉),最多只能感受到有一定强度的22kHz的声波。

当然,或许我自己的设备会影响我对自己的测试,因此我上面所说的现象可能什么都说明不了。但是我对一些涉及人能够感受超高频的说法不能完全相信,比如说“至少到12KHz人耳是可分辨方波与正弦波”——这意味着人耳可以分辨出36kHz的正弦波,这个说法我实在是太怀疑了(我自己听22kHz的正弦波都要音量这么大才有感觉;而到了25kHz我甚至什么都没听到)。
最后编辑felixcat
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开心果 在 2006-3-21 13:47:29 发表的内容

定理的应用条件没有强调是正弦波,而是强调最高频谱是fm(由我们确定),所以只要在fm以内的所有频率,在理论上都能百分之百的还原。




可以肯定在fm点只能是正弦波,小于fm的用正弦波拟合,如果俺没记错的话。
就这个问题俺十多年前和外教请教过,同样无法解释。比如同频率的相位跳动,如果这个频率=fm,采样后是会得到2fm的信号点还是什么结果?但百分百事还原肯定做不到的。
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开心果 在 2006-3-21 13:52:34 发表的内容

这是属于另一范畴的问题了。



没错!所以说奈奎斯特定律没错,问题出在应用条件上了。
很高兴和各位讨论此问题,延伸下去还有很多疑问,大家可以探讨。

比如现场乐队开始演奏前提琴落弓的声音,据声学专家讲其基波在15KHz 类似阶越响应,去过现场的人都能感受到,但录音中从来对未见踪影。如果做FFT,加上闻域等响度曲线根本没法解释等等。
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CD机之纠错电路会给你一些错误信息,CD,机只会将误码填铺而不求准确,做成恶声局面
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felixcat 在 2006-3-21 12:16:38 发表的内容

对于这个“测试”,我持怀疑态度。因为只要拥有适当的设备,我们可以自己动手听一听。

我自己用的IBM小黑的声卡可支持最高96k/32bit的采样格式和重播格式,因此我可以用Cool Edit来生成一个12kHz的方波,和一个12kHz的正弦波。当然,由于在我的机器上Cool Edit只允许我用最高192k的采样率来生成方波(这个采样率意味着频响上限达到96kHz),因此这个“方波”实际上不完全是方的,而是缺少了某些超极高频的谐波。不过用来进行测试还是可以的。

下面这是我生成的12kHz的“方波”(由取样率所限,不能达到绝对“方”):
[upload=jpg]Upload/20063211201996806.jpg[/upload]

这是我生成的12kHz的正弦波:
[upload=jpg]Upload/20063211213576900.jpg[/upload]

在重播的时候由于声卡只支持最高96k取样率的输出,所以192k取样率下的方波可能会转化为96k的取样率输出,但我觉得这不太影响最后结果,因为96k取样率下的这个方波看上去还是挺“方”的。

我接上Sennheiser HD580耳机来聆听这两个波形,不管我如何竖起耳朵,如何把音量调小或者增大,我自己真的听不出这两个波形在听觉上有什么不同。(当然,可以质疑我的器材,甚至还可以质疑我的听觉)

所以我觉得:假如现实中有一个方波的声波脉冲,还有一个正弦波声波,不排除我们的人耳、人体或许会通过各种感觉来体验出不同。但是假如说在包括音源、放大器、扬声器(或者耳机)的音响系统里,音源是否能产生方波那是并没有关系的——到了扬声器输出这个环节,高频的方波都被各级电路滤成是正弦波了——我刚才做的这个小小的测试能在某种程度上说明这个问题。




不错的试验,你这个试验已经很能说明问题了。方波变成梯形时,究竟失去的是什么?如果是12KHz基波(音高)的钢琴和小提琴人们能否分辨?

从声学来讲,失去的上升沿损失的的是声音的特质。人们辨别一种乐器或人声靠的是辨别波形的上升沿。早期的电子琴是用正弦波来拟合各种乐器,出来的声音全是一种圆呼呼的貌似神离的东西,七十年代过来的人都会记得那种声音,当然那种振荡器的基频还达不到44.1KHz,这种现象反映的是一种声学原理。

至于人耳的闻域,20-20KHz是有很大偏差的,对一个人而言,生理状态不同也影响听阈,听阈的特性是个目前还没有完全弄清楚的课题,等响度曲线是在正弦波条件下的测试统计结果,但对复杂波形的问题还有待深入研究,存在问题是肯定。希望能有个正确的研究方向。
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低温 在 2006-3-21 13:59:49 发表的内容
可以肯定在fm点只能是正弦波,小于fm的用正弦波拟合,如果俺没记错的话。
就这个问题俺十多年前和外教请教过,同样无法解释。比如同频率的相位跳动,如果这个频率=fm,采样后是会得到2fm的信号点还是什么结果?但百分百事还原肯定做不到的。


虽然这里我不太清楚您的具体意思,但是我猜测是说信号开始时 Y = Sin(X),但突然间相位跳动变为 Y = Sin(X + P),您说这种情况下用该频率对应的Nyquist频率取样,不能还原这种有相位跳动的正弦波是吧。

那么请看下图:
[upload=jpg]Upload/200632114475492593.jpg[/upload]

信号开始是y = Sin(x),到了某一点就相位跳成是y = Sin(x -  pi/2)。这里为了叙述方便,不妨把正弦函数的频率说成是fm。那么,虽然前半段和后半段曲线分别单独来看都是频率为fm的正弦波,并且很肯定假如单单对前半段,或者对后半段曲线,都以2fm的频率来取样的话,那都能分别还原出各自的曲线。

不过假如现在把两段曲线前后连接看作一个最终的信号来看的话,那么我们肯定不能用2fm的取样频率来取样——因为整段信号里所含有的最高频率已经远远超过fm了——为何?请看上图红圈圈住的那一段信号,信号在那个“尖点”处虽然是连续,但是没有导数——因此用傅立叶展开的话我们会发现在红圈圈住的这一处会出现很多频率高于fm的正弦和余弦项——这就意味着信号在这一段里面含有很多频率超过fm的谐波,因此假如我们仍然用2fm来对整段信号来取样,那这就明显不满足Nyquist定理的前提条件,那当然就无法100%还原了。

总之:两段频率相同(都是fm),相位不同的正弦信号前后相接,得出的新信号里面所含有的最高频率大于fm

因此Nyquist取样定理肯定是没有错的。只是我们常常忽略了它的前提条件。

希望我上述描述的问题是您心目中所想的那一个。假如不是的话就权当我自说自话一番好了。
最后编辑felixcat
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低温 在 2006-3-21 13:45:39 发表的内容
不错的试验,你这个试验已经很能说明问题了。方波变成梯形时,究竟失去的是什么?如果是12KHz基波(音高)的钢琴和小提琴人们能否分辨?

从声学来讲,失去的上升沿损失的的是声音的特质。人们辨别一种乐器或人声靠的是辨别波形的上升沿。早期的电子琴是用正弦波来拟合各种乐器,出来的声音全是一种圆呼呼的貌似神离的东西,七十年代过来的人都会记得那种声音,当然那种振荡器的基频还达不到44.1KHz,这种现象反映的是一种声学原理。

至于人耳的闻域,20-20KHz是有很大偏差的,对一个人而言,生理状态不同也影响听阈,听阈的特性是个目前还没有完全弄清楚的课题,等响度曲线是在正弦波条件下的测试统计结果,但对复杂波形的问题还有待深入研究,存在问题是肯定。希望能有个正确的研究方向。



这是属于另一范畴的问题了。
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低温 在 2006-3-21 13:59:49 发表的内容
开心果 在 2006-3-21 13:47:29 发表的内容

定理的应用条件没有强调是正弦波,而是强调最高频谱是fm(由我们确定),所以只要在fm以内的所有频率,在理论上都能百分之百的还原。




可以肯定在fm点只能是正弦波,小于fm的用正弦波拟合,如果俺没记错的话。
就这个问题俺十多年前和外教请教过,同样无法解释。比如同频率的相位跳动,如果这个频率=fm,采样后是会得到2fm的信号点还是什么结果?但百分百事还原肯定做不到的。



补一张相位跳动的图[upload=jpg]Upload/200632114261946834.jpg[/upload]
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