Desplazamiento de la frecuencia sin afectar la longitud de la señal

Question

No-físico aquí.

De lo que he aprendido en la universidad y lo que el sentido común dice que, un cambio en la frecuencia de una señal en un cambio en su longitud en el tiempo. Por ejemplo, si una señal sinusoide de frecuencia $f$ y la longitud de la $t$ se transfiere el dominio de la frecuencia, es $f$ dividido por $2$, después volver a convertirse en el dominio del tiempo, la longitud de la señal se $2t$.

Me corrija si estoy equivocado! Pero esto es bastante intuitivo. Si usted hace una señal más lento, se necesitaría más tiempo para terminar y viceversa.

Esta es una razón por la que me han dicho que es imposible cambiar la frecuencia de transmisión de la señal de salida y con la misma velocidad. Por ejemplo, sería imposible de llevar a un hombre de la voz y el cambio de sonido como el de una mujer sin lo que es más rápido.

Ahora he tenido varias observaciones:

• En Coursera, usted puede aumentar la velocidad de las clases del curso y el sonido también es de curso acelerado. Sin embargo, no hay ningún lugar en el tono de la voz del locutor. De hecho, el altavoz suena muy similar a la velocidad normal. ¿Cómo es posible el cambio en la velocidad de la señal de no afectar su frecuencia?
• Mi amplificador tiene un dial para cambiar el tono. Así, durante el juego, usted puede aquí la salida con un tono diferente. De nuevo, ¿cómo es esto posible? Si el amplificador es el aumento de la cancha, no su resultado, de ser más rápida que la de la entrada? (es decir, una contradicción!) Estoy sospechando algún truco, aunque, como la salida de sonidos en lugar de "artificial".

Parece que es algo posible cambiar la frecuencia de una señal sin afectar a su longitud. Uno (teórico) de manera que se me ocurre sería para comprender la situación actual de las "notas" de juego (es decir, las diferentes frecuencias de decisiones de la señal) en pequeños intervalos de cambio de la nota y la reproducción por la duración de dicho intervalo.

Mi pregunta es, si mi interpretación es del todo correcta. De cualquier manera, hay una manera matemática para cambiar el tono de una señal sin afectar a su duración en el tiempo? Si no, ¿cómo se puede hacer esto en la práctica?

Answer 1

Usted está en lo correcto que es imposible cambiar la frecuencia de cada componente de una forma de onda, mientras que (a) la preservación de todas las relaciones de fase entre las frecuencias y (b) la preservación de la longitud de la onda. Sin embargo, mientras que es matemáticamente imposible hacer esto, precisamente, es posible hacer cosas que suenan bastante como para el oído humano. La mayoría de los algoritmos básicos para esto son bastante simples, pero hacerlo bien es bastante difícil, y los algoritmos que se están mejorando todo el tiempo. Se conoce como "cambio de tono" si el objetivo es cambiar el tono, pero no es el momento, y el "time stretching" si desea cambiar el tiempo, manteniendo la cancha.

La razón de esto es posible es que el oído distingue el ritmo y el tono, muy distinta de las cosas. Una secuencia de clics va a sonar como una secuencia de clics hasta que su frecuencia passses unos 20-30 Hz, momento en el que las transiciones en un zumbido que se percibe como un terreno de juego. Debido a esto, como DumpsterDoofus dijo, puedes cortar el sonido en pequeños segmentos de corta duración, cambiar el tono de cada uno de ellos individualmente, y luego coserlos juntos de nuevo, repitiendo cosas o dejando huecos donde sea necesario.

Por sí mismo, esto no suena tan bien, porque se llega a un clic al final de cada segmento, donde las formas de onda no se alinean. Se puede mejorar mucho con la superposición de "windows" de sonido, que cada uno tiene un fade-in y fade-out aplicado. De esa manera usted no escucha los clics que los extremos de los segmentos, pero tienden a escuchar a efectos de cancelación de fase donde thr windows se agregan de nuevo juntos de nuevo. Por esta razón, esta técnica requiere un poco de tuning para llegar a sonar bien en cualquier entrada de sonido.

Hay también el dominio de Fourier técnicas, como Brandon Enright, dijo. Estos, también se suele utilizar la superposición de ventanas; supongo que la ventaja de usar el dominio de Fourier es que usted tiene más control sobre las relaciones de fase. (Yo no sé mucho acerca de estas técnicas.)

Un desarrollo relativamente reciente es el "pitch" sincrónico overlap-add" (PSOLA) algoritmo. Este utiliza la superposición de ventanas, pero se acomoda la longitud de las ventanas para la afinación del sonido de entrada. Esto hace que sea mucho más difícil para el oído para percibir el individuo windows. Yo lo llamo "el algoritmo que arruinó la música", porque es el responsable de que desagradable "autotune" efecto que se ha abusado de la voz de cada pop récord de los últimos diez años o así. Sin embargo, también tiene aplicaciones pacíficas, y el tono de línea de su amplificador probablemente utiliza alguna versión de ella.

Usted puede encontrar más detalles acerca de estos algoritmos en la Wikipedia.