Что может сделать звук
Как технологично сделать соседей потише
Когда и работа, и отдых — дома, шумные соседи превращаются в пытку. Защититься от лишних звуков помогут современные технологии.
Примерно год назад из-за пандемии и требований к самоизоляции наши квартиры неожиданно превратились в офисы и учебные аудитории. С новым форматом работы пришли новые проблемы, и далеко не последняя из них — шум.
Против удаленщиков оказалось все: родственники, домашние животные, стиральные машины и телевизоры. И, конечно, настоящее проклятие любого, кто вынужден сидеть дома в рабочее время, — соседи с дрелью или грудным ребенком. При этом если по ночам вас хоть как-то защищает от шума закон о тишине, то днем они в своем праве.
Домашний шум не только мешает работать и портит настроение. Датские ученые установили, что раздражающие звуки от соседей могут привести к нарушениям физического и психического здоровья. К счастью, современные технологии помогают справиться с этой напастью.
Как избавиться от шума: пассивная звукоизоляция
Противостоять соседскому шуму можно пассивными и активными методами. Пассивные предполагают шумоизоляцию квартиры с помощью панелей для стен и напольных покрытий из звукопоглощающих материалов. Это довольно долгий и затратный, хотя и действенный метод.
Бюджетный вариант пассивной защиты — беруши. Самые распространенные беруши из вспененного полипропилена хорошо держатся не во всяком ухе. Более дорогие и продвинутые разновидности бывают из силикона или воска, у них эффективность шумоподавления и удобство, как правило, выше.
В целом беруши — это очень индивидуальная история: нужно пробовать совместимость разных моделей конкретно с вашими ушами. Также не забывайте, что беруши необходимо менять или дезинфицировать. Кроме того, не стоит носить их постоянно — это не очень-то полезно для здоровья.
Ну и самое главный недостаток этого прекрасного изобретения: с берушами в ушах вы хуже слышите не только шум, но и нужные звуки — например, коллег во время видеозвонка. Так что здесь приходит черед активных методов.
Как избавиться от шума: активное шумоподавление
Активные методы предполагают, что вы не отгораживаетесь от нежелательных звуков, а заглушаете или фильтруете их с помощью технических средств. Идею активного шумоподавления почти век назад предложил немецкий ученый Пауль Люг (Paul Lueg), запатентовавший метод нейтрализации шума специальным звуковым сигналом.
Как это работает? Звук — это колебания, которые можно для простоты нарисовать как волны, чьи «холмы» циклически сменяются «впадинами» и вновь плавно переходят в «холмы».
Люг предложил генерировать зеркально противоположные колебания, чтобы «холмы» подавляющего шума совпадали со «впадинами» шума окружающей среды — и наоборот. Если волны идеально симметричны в тот момент, когда доходят до ваших ушей, они гасят друг друга, и вы не слышите их. Да-да, добавляя к звуку звук, можно создать полную тишину! Правда, для этого нужно оставаться на месте, иначе волны двух шумов пойдут в рассинхрон и станут слышны.
Наушники с активным шумоподавлением
По описанному Люгом методу работают наушники с шумоподавлением. В них встроены микрофоны, которые улавливают окружающие звуки. Затем устройство создает «контршум» и транслирует его.
Помимо наушников, существуют и умные беруши с функцией активного шумоподавления. Они работают так же, только послушать в них музыку или подключиться к конференции не получится. Зато устройство пригодится вам, если шум в квартире или снаружи мешает спать.
Впрочем, абсолютной тишины с помощью подобных гаджетов не добиться: они справляются далеко не со всеми посторонними звуками. Монотонный гул в самолете, например, они гасят эффективно, а вот звонкий собачий лай — не очень.
Если вы решитесь купить такое устройство, сперва изучите обзоры и отзывы и по возможности протестируйте его прямо в магазине — так вы убережете себя от разочарования.
Защита от шума на созвонах: микрофоны с фильтрами
Если вам приходится часто участвовать в онлайн-конференциях, не лишним будет позаботиться и о комфорте собеседников, ведь им слушать дрель вашего соседа тоже не очень интересно. В этом поможет микрофон с шумоподавлением.
Чаще всего работает он за счет… второго микрофона! Один из микрофонов расположен ближе к источнику нужного звука (то есть к вашим губам), другой подальше. Оба примерно одинаково считывают окружающий фон, а вот полезный сигнал — речь человека — первый улавливает гораздо лучше. Устройство отсеивает совпадающие звуки и получает очищенную от шума речь.
Если у вас обычная гарнитура с одним микрофоном, а покупать новую вам почему-либо не хочется, присмотритесь к адаптерам с шумоподавлением — если подключить гарнитуру через такое устройство, вас на том конце провода будут слышать лучше. Правда, такие адаптеры стоят не очень дешево.
Настройки шумоподавления в операционной системе
Если вы категорически не хотите покупать новые устройства, можно попытаться убрать посторонние звуки штатными средствами компьютера. В настройках операционных систем есть функция шумоподавления. Эффект от нее, как и в случае со специальным микрофоном, смогут оценить лишь ваши собеседники.
Соответствующие настройки в Windows могут называться по-разному для разных звуковых карт, а для некоторых — вообще быть недоступны. Но, скажем, в случае Realtek, чтобы настроить шумоподавление, нужно зайти в Панель управления, выбрать Звук, добраться до свойств микрофона и на вкладке Улучшения включить шумоподавление и подавление эха.
Также стоит попробовать уменьшить параметр Усиление микрофона на вкладке Уровни. Дело в том, что вместе с голосом он усиливает и шум.
Встроенная функция шумоподавления есть и в macOS. Чтобы ее включить, нужно открыть Системные настройки, выбрать категорию Звук, перейти на вкладку Ввод, выбрать микрофон и отметить Использовать шумоподавление.
Приложения для борьбы с шумом
Кроме оборудования и системных настроек помочь вам могут специализированные приложения для фильтрации шумов. Возможности у них бывают разными. Например, одни отвечают за «очистку» только звука с вашего микрофона, другие подавляют также шум со стороны собеседника. Некоторые приложения могут блокировать вообще любые звуки, если не слышат в них человеческой речи, защищая ваших коллег на случай, если вы забыли заглушить микрофон, когда решили перекусить или начали яростно набирать письмо с итогами встречи.
Встроенные средства для борьбы с шумом есть и в самих приложениях для видеоконференций — например, в Zoom и Skype.
Должны предупредить: будьте осторожны и не переусердствуйте в попытках улучшить звук. И точно не стоит проводить эксперименты сразу в «боевом» режиме на ответственном звонке. Если хотите включить сразу несколько инструментов шумоподавления, протестируйте разные их комбинации заранее, поскольку неизвестно, подружатся ли они.
Генераторы шума
Если звуки, доносящиеся от соседей, мешают не говорить, а, например, уснуть, спасением может стать, как ни странно, генератор шума — не синхронизированного, а практически любого. Дело в том, что равномерный шум (его разновидности называют белым, розовым и красным) маскирует посторонние звуки, делает их менее заметными и раздражающими. В ряде исследований было показано, что такой аккомпанемент помогает крепче спать.
Белый шум одинаков во всех частотах, красный громче на низких и тише на высоких, а розовый находится посередине между ними. Все они подражают плеску водопада или ливня, но благодаря низким частотам красный шум ощущается «мягче» и напоминает гул водопада вдалеке, а белый — как если бы вы стояли вплотную к нему. К слову, шум воды издревле используется для маскировки звуков. Считается, что одна из функций многочисленных фонтанов во дворцах турецких султанов — помешать любителям подслушивать чужие разговоры.
Прежде чем покупать генератор шума, можно оценить эффективность метода в мобильном приложении, генерирующем фоновый звук. Динамики смартфона обычно слабоваты, но если подключить его, например, к беспроводной колонке, эффект станет более выраженным.
Вместо искусственного шума можно проигрывать записи умиротворяющих природных звуков — морского прибоя или дождя. В любом случае главное — не переборщить: к примеру, слишком высокая громкость способна навредить нежному слуху ребенка. И, конечно, не стоит забывать, что все люди разные, и понять, комфортно ли вам и вашим домочадцам с разными вариантами равномерного шума и фоновыми звуками можно только попробовав.
Перспективы борьбы за тишину
Способов полного избавления квартиры от внешних шумов пока не существует, но исследования в этой области ведутся.
Например, ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре представили технологию, блокирующую звуки с улицы. Исследователи использовали тот же принцип, что и в наушниках с шумоподавлением: для нужного эффекта в лабораторном оконном проеме им пришлось разместить по две дюжины динамиков и микрофонов.
Компания Silentium разработала технологию «пузыря тишины» вокруг человека. Решений для квартир на основе этой технологии пока нет — компания работает над снижением шума в салоне автомобилей. Динамики для контршума планируется размещать в подголовниках кресел.
Несмотря на прогресс технологий, не стоит пренебрегать и социальными средствами в борьбе за домашний комфорт. Пожалуй, лучшее из них — хорошие отношения с соседями. Если договориться с ними о часах тишины, когда ни вы, ни они не будете шуметь, проблема решится сама собой. Если же вас беспокоит не только и не столько шум, то мы подготовили для вас и другие полезные советы по созданию комфортной среды дома.
Теория звука. Что нужно знать о звуке, чтобы с ним работать. Опыт Яндекс.Музыки
Звук, как и цвет, люди воспринимают по-разному. Например, то, что кажется слишком громким или некачественным одним, может быть нормальным для других.
Для работы над Яндекс.Музыкой нам всегда важно помнить о разных тонкостях, которые таит в себе звук. Что такое громкость, как она меняется и от чего зависит? Как работают звуковые фильтры? Какие бывают шумы? Как меняется звук? Как люди его воспринимают.
Мы довольно много узнали обо всём этом, работая над нашим проектом, и сегодня я попробую описать на пальцах некоторые основные понятия, которые требуется знать, если вы имеете дело с цифровой обработкой звука. В этой статье нет серьёзной математики вроде быстрых преобразований Фурье и прочего — эти формулы несложно найти в сети. Я опишу суть и смысл вещей, с которыми придётся столкнуться.
Поводом для этого поста можете считать то, что мы добавили в приложения Яндекс.Музыки возможность слушать треки в высоком качестве (320kbps). А можете не считать. Итак.
Оцифровка, или Туда и обратно
Прежде всего разберёмся с тем, что такое цифровой сигнал, как он получается из аналогового и откуда собственно берётся аналоговый сигнал. Последний максимально просто можно определить как колебания напряжения, возникающие из-за колебаний мембраны в микрофоне.
Рис. 1. Осциллограмма звука
Это осциллограмма звука — так выглядит аудио сигнал. Думаю, каждый хоть раз в жизни видел подобные картинки. Для того чтобы понять, как устроен процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой, нужно нарисовать осциллограмму звука на миллиметровой бумаге. Для каждой вертикальной линии найдем точку пересечения с осциллограммой и ближайшее целое значение по вертикальной шкале — набор таких значений и будет простейшей записью цифрового сигнала.
Рис. 2. Интерактивный пример сложения волн и оцифровки сигнала.
Источник: www.desmos.com/calculator/aojmanpjrl
Воспользуемся этим интерактивным примером, чтобы разобраться в том, как накладываются друг на друга волны разной частоты и как происходит оцифровка. В левом меню можно включать/выключать отображение графиков, настраивать параметры входных данных и параметры дискретизации, а можно просто двигать контрольные точки.
На аппаратном уровне это, разумеется, выглядит значительно сложнее, и в зависимости от аппаратуры сигнал может кодироваться совершенно разными способами. Самым распространённым из них является импульсно-кодовая модуляция, при которой записывается не конкретное значение уровня сигнала в каждый момент времени, а разница между текущим и предыдущим значением. Это позволяет снизить количество бит на каждый отсчёт примерно на 25%. Этот способ кодирования применяется в наиболее распространённых аудио-форматах (WAV, MP3, WMA, OGG, FLAC, APE), которые используют контейнер PCM WAV.
В реальности для создания стерео-эффекта при записи аудио чаще всего записывается не один, а сразу несколько каналов. В зависимости от используемого формата хранения они могут храниться независимо. Также уровни сигнала могут записываться как разница между уровнем основного канала и уровнем текущего.
Обратное преобразование из цифрового сигнала в аналоговый производится с помощью цифро-аналоговых преобразователей, которые могут иметь различное устройство и принципы работы. Я опущу описание этих принципов в данной статье.
Дискретизация
Как известно, цифровой сигнал — это набор значений уровня сигнала, записанный через заданные промежутки времени. Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в цифровой сигнал называется дискретизацией (по времени и по уровню). Есть две основные характеристики цифрового сигнала — частота дискретизации и глубина дискретизации по уровню.
Рис. 3. Дискретизация сигнала.
Источник: https://en.wikipedia.org/wiki/Sampling_(signal_processing)
Частота дискретизации указывает на то, с какими интервалами по времени идут данные об уровне сигнала. Существует теорема Котельникова (в западной литературе её упоминают как теорему Найквиста — Шеннона, хотя встречается и название Котельникова — Шеннона), которая утверждает: для возможности точного восстановления аналогового сигнала из дискретного требуется, чтобы частота дискретизации была минимум в два раза выше, чем максимальная частота в аналоговом сигнале. Если брать примерный диапазон воспринимаемых человеком частот звука 20 Гц — 20 кГц, то оптимальная частота дискретизации (частота Найквиста) должна быть в районе 40 кГц. У стандартных аудио-CD она составляет 44.1 кГц
Рис. 4. Квантование сигнала.
Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Квантование_(обработка сигналов)
Глубина дискретизации по уровню описывает разрядность числа, которым описывается уровень сигнала. Эта характеристика накладывает ограничение на точность записи уровня сигнала и на его минимальное значение. Стоит специально отметить, что данная характеристика не имеет отношения к громкости — она отражает точность записи сигнала. Стандартная глубина дискретизации на audio-CD — 16 бит. При этом, если не использовать специальную студийную аппаратуру, разницу в звучании большинство перестаёт замечать уже в районе 10-12 бит. Однако большая глубина дискретизации позволяет избежать появления шумов при дальнейшей обработке звука.
В цифровом звуке можно выделить три основных источника шумов.
Джиттер
Это случайные отклонения сигнала, как правило, возникающие из-за нестабильности частоты задающего генератора или различной скорости распространения разных частотных составляющих одного сигнала. Данная проблема возникает на стадии оцифровки. Если описывать «на пальцах» «на миллиметровке», это происходит из-за немного разного расстояния между вертикальными линиями.
Шум дробления
Он напрямую связан с глубиной дискретизации. Так как при оцифровке сигнала его реальные значения округляются с определённой точностью, возникают слабые шумы, связанные с её потерей. Эти шумы могут появляться не только на стадии оцифровки, но и в процессе цифровой обработки (например, если сначала уровень сигнала сильно понижается, а затем — снова повышается).
Алиасинг
При оцифровке возможна ситуация, при которой в цифровом сигнале могут появиться частотные составляющие, которых не было в оригинальном сигнале. Данная ошибка получила название Aliasing. Этот эффект напрямую связан с частотой дискретизации, а точнее — с частотой Найквиста. Проще всего понять, как это происходит, рассмотрев вот эту картинку:
Рис. 5. Алиас. Источник: ru.wikipedia.org/wiki/Алиасинг
Зелёным показана частотная составляющая, частота которой выше частоты Найквиста. При оцифровке такой частотной составляющей не удаётся записать достаточно данных для её корректного описания. В результате при воспроизведении получается совершенно другой сигнал — жёлтая кривая.
Уровень сигнала
Поначалу бывает тяжело разобраться с тем, как соотносятся децибелы и реальный уровень сигнала. На самом деле всё просто. Каждые
6 dB (точнее 20 log(2)
N.B. Стоит упомянуть, что логарифм в данном случае берётся десятичный, в то время как большинство библиотек под функцией с названием log подразумевает натуральный логарифм.
96.33 dB, для 24 бит
144.49 dB. Это означает, что самый большой перепад уровня, который можно описать с 24-битной глубиной дискретизации (144.49 dB), на 48.16 dB больше, чем самый большой перепад уровня с 16-битной глубиной (96.33 dB). Плюс к тому — шум дробления при 24 битах на 48 dB тише.
Восприятие
Когда мы говорим о восприятии звука человеком, следует сначала разобраться, каким образом люди воспринимают звук. Очевидно, что мы слышим с помощью ушей. Звуковые волны взаимодействуют с барабанной перепонкой, смещая её. Вибрации передаются во внутреннее ухо, где их улавливают рецепторы. То, насколько смещается барабанная перепонка, зависит от такой характеристики, как звуковое давление. При этом воспринимаемая громкость зависит от звукового давления не напрямую, а логарифмически. Поэтому при изменении громкости принято использовать относительную шкалу SPL (уровень звукового давления), значения которой указываются всё в тех же децибелах. Стоит также заметить, что воспринимаемая громкость звука зависит не только от уровня звукового давления, но ещё и от частоты звука:
Рис. 6. Зависимость воспринимаемой громкости от частоты и амплитуды звука.
Источник: ru.wikipedia.org/wiki/Громкость_звука
Громкость
Простейшим примером обработки звука является изменение его громкости. При этом происходит просто умножение уровня сигнала на некоторое фиксированное значение. Однако даже в таком простом деле, как регулировка громкости, есть один подводный камень. Как я уже отметил ранее, воспринимаемая громкость зависит от логарифма звукового давления, а это значит, что использование линейной шкалы громкости оказывается не очень эффективным. При линейной шкале громкости возникает сразу две проблемы — для ощутимого изменения громкости, когда ползунок находится выше середины шкалы приходится достаточно далеко его сдвигать, при этом ближе к самому низу шкалы сдвиг меньше, чем на толщину волоса, может изменить громкость в два раза (думаю, с этим каждый сталкивался). Для решения данной проблемы используется логарифмическая шкала громкости. При этом на всей её длине передвижение ползунка на фиксированное расстояние меняет громкость в одинаковое количество раз. В профессиональной записывающей и обрабатывающей аппаратуре, как правило, используется именно логарифмическая шкала громкости.
Математика
Тут я, пожалуй, немного вернусь к математике, потому что реализация логарифмической шкалы оказывается не такой простой и очевидной вещью для многих, а найти в интернете данную формулу не так просто, как хотелось бы. Заодно покажу, как просто переводить значения громкости в dBFS и обратно. Для дальнейших объяснений это будет полезным.
Цифровая обработка
Из того, что сигнал имеет верхнее ограничение уровня, следует, что нельзя безопасно увеличивать громкость выше единицы. При этом пики, которые окажутся выше границы, будут «срезаны» и произойдёт потеря данных.
Рис. 7. Клиппинг.
Источник: https://en.wikipedia.org/wiki/Clipping_(audio)
На практике всё это означает, что стандартные для Audio-CD параметры дискретизации (16 бит, 44,1 кГц) не позволяют производить качественную обработку звука, потому что имеют очень малую избыточность. Для этих целей лучше использовать более избыточные форматы. Однако стоит учитывать, что общий размер файла пропорционален параметрам дискретизации, поэтому выдача таких файлов для он-лайн воспроизведения — не лучшая идея.
Измерение громкости
Для того чтобы сравнивать громкость двух разных сигналов, её для начала нужно как-то измерить. Существует по меньшей мере три метрики для измерения громкости сигналов — максимальное пиковое значение, усреднённое значение уровня сигнала и метрика ReplayGain.
Максимальное пиковое значение достаточно слабая метрика для оценки громкости. Она никак не учитывает общий уровень громкости — например, если записать грозу, то большую часть времени на записи будет тихо шелестеть дождь и лишь пару раз прогремит гром. Максимальное пиковое значение уровня сигнала у такой записи будет довольно высоким, но большая часть записи будет иметь весьма низкий уровень сигнала. Однако эта метрика всё равно является полезной — она позволяет вычислить максимальное усиление, которое можно применить к записи, при котором не будет потерь данных из-за «обрезания» пиков.
Усреднённое значение уровня сигнала — более полезная метрика и легко вычислимая, но всё же имеет существенные недостатки, связанные с тем, как мы воспринимаем звук. Визг циркулярной пилы и рокот водопада, записанные с одинаковым средним уровнем сигнала, будут восприниматься совершенно по-разному.
ReplayGain наиболее точно передает воспринимаемый уровень громкости записи и учитывает физиологические и психические особенности восприятия звука. Для промышленного выпуска записей многие звукозаписывающие студии используют именно её, также она поддерживается большинством популярных медиа-плееров. (Русская статья на WIKI содержит много неточностей и фактически не корректно описывает саму суть технологии)
Нормализация громкости
Иногда нормализацию громкости производят в рамках одной записи — при этом различные части записи усиливают на разные величины, чтобы их воспринимаемая громкость была одинаковой. Такой подход очень часто применяется в компьютерных видео-плеерах — звуковая дорожка многих фильмов может содержать участки с очень сильно отличающейся громкостью. В такой ситуации возникают проблемы при просмотре фильмов без наушников в позднее время — при громкости, на которой нормально слышен шёпот главных героев, выстрелы способны перебудить соседей. А на громкости, при которой выстрелы не бьют по ушам, шёпот становится вообще неразличим. При внутри-трековой нормализации громкости плеер автоматически увеличивает громкость на тихих участках и понижает на громких. Однако этот подход создаёт ощутимые артефакты воспроизведения при резких переходах между тихим и громким звуком, а также порой завышает громкость некоторых звуков, которые по задумке должны быть фоновыми и еле различимыми.
Также внутреннюю нормализацию порой производят, чтобы повысить общую громкость треков. Это называется нормализацией с компрессией. При этом подходе среднее значение уровня сигнала максимизируется за счёт усиления всего сигнала на заданную величину. Те участки, которые должны были быть подвергнуты «обрезанию», из-за превышения максимального уровня усиливаются на меньшую величину, позволяя избежать этого. Этот способ увеличения громкости значительно снижает качество звучания трека, но, тем не менее, многие звукозаписывающие студии не брезгуют его применять.
Фильтрация
Я не стану описывать совсем все аудио-фильтры, ограничусь только стандартными, которые присутствуют в Web Audio API. Самым простым и распространённым из них является биквадратный фильтр (BiquadFilterNode) — это активный фильтр второго порядка с бесконечной импульсной характеристикой, который может воспроизводить достаточно большое количество эффектов. Принцип работы этого фильтра основан на использовании двух буферов, каждый с двумя отсчётами. Один буфер содержит два последних отсчёта во входном сигнале, другой — два последних отсчёта в выходном сигнале. Результирующее значение получается с помощью суммирования пяти значений: текущего отсчёта и отсчётов из обоих буферов перемноженных на заранее вычисленные коэффициенты. Коэффициенты данного фильтра задаются не напрямую, а вычисляются из параметров частоты, добротности (Q) и усиления.
Lowpass
Рис. 8. Фильтр lowpass.
Пропускает только частоты ниже заданной частоты. Фильтр задаётся частотой и добротностью.
Highpass
Рис. 9. Фильтр highpass.
Действует аналогично lowpass, за исключением того, что он пропускает частоты выше заданной, а не ниже.
Bandpass
Рис. 10. Фильтр bandpass.
Этот фильтр более избирателен — он пропускает только определённую полосу частот.
Notch
Рис. 11. Фильтр notch.
Является противоположностью bandpass — пропускает все частоты вне заданной полосы. Стоит, однако, отметить разность в графиках затухания воздействия и в фазовых характеристиках данных фильтров.
Lowshelf
Рис. 12. Фильтр lowshelf.
Является более «умной» версией highpass — усиливает или ослабляет частоты ниже заданной, частоты выше пропускает без изменений. Фильтр задаётся частотой и усилением.
Highshelf
Рис. 13. Фильтр highshelf.
Более умная версия lowpass — усиливает или ослабляет частоты выше заданной, частоты ниже пропускает без изменений.
Peaking
Рис. 14. Фильтр peaking.
Это уже более «умная» версия notch — он усиливает или ослабляет частоты в заданном диапазоне и пропускает остальные частоты без изменений. Фильтр задаётся частотой, усилением и добротностью.
Фильтр allpass
Рис. 15. Фильтр allpass.
Allpass отличается ото всех остальных — он не меняет амплитудные характеристики сигнала, вместо чего делает фазовый сдвиг заданных частот. Фильтр задаётся частотой и добротностью.
Фильтр WaveShaperNode
Вейвшейпер (en) применяется для формирования сложных эффектов звуковых искажений, в частности с помощью него можно реализовать эффекты «дисторшна», «овердрайва» и «фузза». Данный фильтр применяет к входному сигналу специальную формирующую функцию. Принципы построения подобных функций довольно сложные и тянут на отдельную статью, поэтому я опущу их описание.
Фильтр ConvolverNode
Фильтр, производящий линейную свёртку входного сигнала с аудио-буфером, задающим некую импульсную характеристику. Импульсная характеристика — это ответ некой системы на единичный импульс. Простым языком это можно назвать «фотографией» звука. Если реальная фотография содержит информацию о световых волнах, о том, насколько они отражаются, поглощаются и взаимодействуют, то импульсная характеристика содержит аналогичную информацию о звуковых волнах. Свёртка аудио-потока с подобной «фотографией» как бы накладывает эффекты окружения, в котором была сняла импульсная характеристика на входной сигнал.
Для работы данного фильтра требуется разложение сигнала на частотные составляющие. Это разложение производится с помощью быстрого преобразования Фурье (к сожалению, в русскоязычной Википедии совершенно несодержательная статья, написанная, судя по всему, для людей, которые и так знают, что такое БПФ и сами могут написать такую же несодержательную статью). Как я уже говорил во вступлении, не стану приводить в данной статье математику БПФ, однако не упомянуть краеугольный алгоритм для цифровой обработки сигналов было бы неправильно.
Данный фильтр реализует эффект реверберации. Существует множество библиотек готовых аудио-буферов для данного фильтра, которые реализуют различные эффекты (1, 2), подобные библиотеки хорошо находятся по запросу [impulse response mp3].
Материалы
Большое спасибо моим коллегам, которые помогали собирать материалы для этой статьи и давали полезные советы.
Отдельное спасибо Тарасу Audiophile Ковриженко за описание алгоритмов нормализации и максимизации громкости и Сергею forgotten Константинову за большое количество пояснений и советов по данной статье.
UPD. Поправил раздел про фильтрацию и добавил ссылки по разным типам фильтров. Спасибо Денису deniskreshikhin Крешихину и Никите merlin-vrn Киприянову за то, что обратили внимание.