Математически это означает, что функция f(t) обращается в бесконечность в исследуемый момент времени. Умножьте это на функцию окна w(t), которая равна нулю везде, кроме интересующего нас периода.
Что такое спектральный анализ
Анализатор спектра — это прибор для измерения и отображения спектра сигнала (распределение энергии сигнала на частоте). В этой статье рассматриваются основные типы анализаторов спектра и описывается их использование в обработке и восстановлении звука. Особое внимание уделяется современным аналитикам, основанным на БПФ — быстром преобразовании Фурье.
Традиционно при цифровой записи звуковая дорожка представляется в виде осциллограммы, которая показывает форму волны, т.е. зависимость амплитуды звука от времени. Это представление очень понятно для опытных звукорежиссеров. Осциллографы можно использовать для определения ключевых событий в звуке, таких как изменения громкости, паузы между частями трека или отдельные ноты в сольной записи музыкального инструмента. Однако одновременный звук от нескольких приборов в осциллографе может «смешиваться», что затрудняет визуальный анализ сигнала. Тем не менее, наши уши легко различают отдельные органы в маленькое целое. Как это происходит?
Когда сложные звуковые колебания достигают барабана, они передаются через ряд акустических аналогов костей к органу, называемому винтом. Винты представляют собой спиралевидные резиновые трубки. Толщина и жесткость винта плавно изменяется от конца винта к центру. Когда сложные вибрации прикладываются к концам винта, в разных частях винта возникают противоточные вибрации. Частоты настройки разных частей винта различны. Таким образом, винт разбивает сложные звуковые волны на отдельные частотные компоненты. С каждой из этих частей улитки связаны отдельные группы улитковых нервов, которые передают информацию о колебаниях улитки в мозг (подробнее о слухе см. статью Алдошиной «Основы психоакустики» («Звукорежиссер», № 6, 1999). В результате мозг получает информацию о звуках, уже разложенную по частотам, и может легко различать громкие и тихие звуки. Кроме того, как вскоре будет показано, разбиение звука на частоты помогает различать отдельные инструменты в полифонических записях, что значительно расширяет возможности обработки.
Полосовые спектроанализаторы
Первые анализаторы спектра аудиосигнала использовали серию аналоговых фильтров для разделения сигнала на частотные полосы. На дисплее таких анализаторов (рис. 1) отображаются уровни сигналов в ряде частотных полос, соответствующих фильтрам.
На рис. 2 показан пример частотной характеристики полосового фильтра анализатора по ГОСТ 17168-82. Такой анализатор называется третьоктавным анализатором, поскольку в каждой октаве частотного диапазона имеется три полосы. Очевидно, что частотные характеристики фильтров проницаемости перекрываются. Их резкие наклоны зависят от порядка используемых фильтров.
Важной характеристикой анализаторов спектра является их баллистика. Это инерционность измерителя уровня в полосе частот. Его можно настроить, регулируя скорость нарастания (атаки) и спада измерителя уровня. Типичное время атаки и затухания для таких анализаторов составляет 200-1500 мс.
Анализаторы зонного спектра часто используются для регулирования АЧХ (фундаментальной характеристики) громкоговорителей в концертных залах. На входе такого аналитика в розовый шум (с одинаковой мощностью в каждой октаве) на экране появляется горизонтальная линия, предположительно корректирующая изменение шума во времени. По мере того как розовый шум трансформируется при прохождении через акустическую систему помещения, его спектральные изменения отображаются на экране аналитика. Аналитики, как и наши уши, мало чувствительны к узкому погружению в частотную характеристику (менее 1/3 октавы).
Преобразование Фурье
Преобразование Фурье — это математическое устройство для разложения сигнала на синусоиды. Например, если сигнал x(t) является непрерывным и бесконечным во времени, его можно выразить в виде интеграла Фурье.
Интеграл Фурье собирает синус x(t) из бесконечного множества синусоидальных составляющих всех возможных частот Ω, со спином x O и фаза φ OНа практике мы больше заинтересованы в анализе звуков с конечным временем. Музыка не является статичным сигналом, и ее спектр меняется со временем. Поэтому при спектральном анализе обычно интересуются отдельными небольшими частями сигнала. Для анализа этих частей цифрового аудиосигнала существует отдельное преобразование Фурье.
Здесь nfig различных сигналов x(n) за период от 0 до n — 1 синтезируется как сумма конечного числа синусоидальных колебаний с использованием x back x
k и фаза φk и фаза φk и фаза φМатематически это умножает функцию Window W(T) на неограниченную функцию f(t) исследуемого времени.
Математически это означает, что функция f(t) обращается в бесконечность в исследуемый момент времени. Умножьте это на функцию окна w(t), которая равна нулю везде, кроме интересующего нас периода.
Что такое спектральный анализ
Кирхгоф и Бунзен предприняли попытку спектрального анализа еще в 1859 году: два физика построили спектроскоп, напоминающий трубку неправильной формы. С одной стороны находилось отверстие (симбометр), через которое падали лучи света, подлежащие исследованию. Внутри трубки находилась призма, которая отклоняла лучи и направляла их в другое отверстие в трубке. В розетке физики могли видеть анализируемый свет в виде спектра.
История и особенности спектрального анализа
Ученые решили провести эксперимент. Затемнив комнату и окружив окна темными шторами, они зажигали свечи возле щелей сибарума, брали кусочки различных веществ, помещали их в пламя свечи и смотрели, меняется ли спектр. И оказалось, что горячий пар каждого вещества дает разный спектр! Призма строго разделяла лучи и не позволяла им пересекаться, поэтому по полученному спектру можно было точно определить вещество.
Затем Кирхоф проанализировал спектр солнца и обнаружил присутствие нескольких химических веществ в его хромосомах. Это привело к астрофизике.
Спектральный анализ требует очень малого количества материала. Метод очень чувствителен и чрезвычайно быстр, что делает его пригодным для широкого спектра применений, а в некоторых случаях и необходимым. Ошибиться при правильном спектральном анализе практически невозможно, так как известно, что каждый химический элемент в таблице Менделеева излучает специфический спектр, характеризующий только его.
Особенности спектрального анализа
Спектральный анализ может проводиться на атомах или молекулах. Атомный анализ используется для определения атомного состава вещества, а молекулярный анализ — для определения молекулярного состава вещества.
Спектры могут быть измерены двумя способами: спектры испускания и спектры поглощения. Анализ эмиссионного спектра выполняется путем изучения спектра, испускаемого выбранными атомами или молекулами. Для этого они должны быть заряжены энергией, т.е. их нужно стимулировать. Анализ поглощения, с другой стороны, проводится путем изучения спектра поглощения электромагнитного излучения, направленного на объект.
Спектральный анализ позволяет измерять различные свойства веществ, частиц и даже более крупных объектов (например, космических объектов). По этой причине спектральный анализ можно разделить на различные методы. Для достижения желаемых результатов для конкретной задачи необходимо выбрать соответствующий прибор, длину волны спектра и диапазон самого спектра.
Абсорбционная спектроскопия может быть использована для изучения далеких космических объектов, которые не имеют собственного излучения. Эти знания позволяют определить наиболее важные свойства космических объектов (давление, температура, структурные свойства и т.д.).
Спектральный анализ — это метод определения химического состава материала по его спектру. Метод был разработан в 1859 году немецкими учеными H.-R. Кирхгофа и Р.В. Бунзена.
Школьная Энциклопедия
You are here: Home Работа астрономов
- JLIB_APPLICATION_ERROR_COMPONENT_NOT_LOADING
- JLIB_APPLICATION_ERROR_COMPONENT_NOT_LOADING
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_users, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
- Error loading component: com_content, 1
Но прежде чем мы углубимся в этот довольно сложный вопрос, давайте сначала поговорим о том, что такое спектр. Спектр в физике — это распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр, то есть спектр частот электромагнитного излучения (или то же самое, что квант энергии).
Термин «спектр» был научно использован Ньютоном в 1671-1672 годах для обозначения разноцветных полос, похожих на радугу, образующихся при прохождении солнечного света через треугольную стеклянную призму. В своей работе «Оптика» (1704) он опубликовал результаты своих экспериментов по преломлению белого света с помощью призм из отдельных компонентов разного цвета и коэффициента преломления. Другими словами, он взял спектр солнечного света и описал его свойства. Он показал, как это утверждал Бэкон в XIII веке, что цвет является фактическим свойством света и не зависит от призм. Действительно, Ньютон заложил основы оптической спектроскопии. Optica описала все три метода рассеивания света, используемые сегодня: преломление, интерполяция (перераспределение света путем наложения множества световых волн) и рефракция (ограждение волнового барьера). Теперь вернемся к тому, что такое спектральный анализ.
Это способ предоставить ценную и разнообразную информацию о небесных знаменитостях. Как это делается? Свет анализируется, и на основе анализа света могут быть получены качественные и количественные химические составы, включая свет, его температуру, наличие и силу магнитных полей и скорость движения вдоль линии зрения. Спектральный анализ основан на идее, что составной свет распадается на компоненты при переходе из одной среды в другую (например, из воздуха в стекло). Когда этот пучок света попадает на грани трехцветной призмы, благодаря различным преломлениям на стекле составляющие пучка белого света дают на экране полосу радужных цветов, называемую спектром. В спектре все цвета всегда расположены в определенном порядке. Если вы забыли этот порядок, смотрите рисунок.
Спектральный анализ
Для фотографирования спектра телескоп использует специальный прибор, называемый спектрографом, который расположен за объективом телескопа. В прошлом все спектрографы были призмами, но теперь вместо призм используются дифракционные решетки, которые разделяют белый свет на спектры, называемые спектрографами. Известно, что свет распространяется в виде электромагнитных волн. Каждый цвет соответствует определенной длине электромагнитной волны. Длина волны спектра уменьшается от красного к фиолетовому примерно от 700 до 400 мм. За фиолетовыми лучами спектра находятся ультрафиолетовые лучи, которые невидимы глазу, но действуют на фотопластинку.
Рентгеновские лучи, используемые в медицине, имеют еще более короткую длину волны. Рентгеновские лучи от небесных объектов задерживаются в атмосфере Земли. Недавно их можно было изучить, запустив ракету достаточно высоко, чтобы подняться над основными слоями атмосферы. Наблюдения за рентгеновским излучением также создаются автоматическими устройствами, установленными на межпланетных космических станциях.
За красными лучами спектра находятся инфракрасные лучи. Они невидимы, но при этом действуют на специальные фотопластинки. Спектральные наблюдения обычно относятся к наблюдениям в области от инфракрасного до ультрафиолетового диапазона.
При изучении спектров используются приборы, называемые спектрометрами и спектроскопистами. Спектрограф изучает спектр, а спектроскопист его фотографирует. Изображение спектра называется спектральной мимикой.
Спектры в виде радужных корпусов (сплошные или непрерывные спектры) производятся с помощью твердых нагревательных тел (высокотемпературный углерод, нити электрических ламп) и огромных газов высокого давления. Линейчатый спектр излучения дают разреженные газы и пары при сильном нагревании или воздействии электрического разряда. Каждый газ имеет свой набор световых линий определенных цветов. Эти цвета соответствуют определенным длинам волн. Они всегда находятся в одной и той же части спектра. Изменения условий или обстоятельств, в которых находится газ, например, нагрев или ионизация, вызывают некоторые изменения в спектре конкретного газа.
Виды спектров
Ученые создали таблицу со списком линий для каждого газа и яркостью каждой линии. Например, в спектре натрия две желтые линии особенно яркие. Известно, что спектр человека или молекулы связан с ее структурой и отражает некоторые изменения, происходящие при ее яркости.
Линейчатые спектры поглощения дают газы и пары, когда за ними находится более светлый и теплый источник света, дающий непрерывный спектр. Спектр поглощения представляет собой непрерывный спектр с пересекающимися темными линиями там, где должны быть яркие линии, характеризующие конкретный газ. Например, две темные линии поглощения натрия лежат в желтой части спектра.
Поэтому спектральный анализ позволяет определить химический состав паров, которые излучают или поглощают свет. Это означает, что можно определить, находится ли пар в лаборатории или в небесном излучателе. Количество атомов или молекул в излучающей или поглощающей линии зрения определяется интенсивностью линии. Чем больше атомов, тем ярче и темнее линия в спектре поглощения. Солнце и звезды окружены газообразной атмосферой. Непрерывный спектр их видимых поверхностей прерывается темными линиями поглощения, которые появляются при прохождении света через атмосферу звезды. Поэтому спектр Солнца и звезд является спектром поглощения.
Однако спектральный анализ может определить химический состав только светящихся или поглощающих газов. Химический состав твердых или жидких объектов не может быть определен с помощью спектрального анализа.
Если тело накалено, то красная часть спектра твердого тела является самой яркой. При дальнейшем нагревании самая яркая часть спектра становится желтой, затем зеленой. Экспериментально подтвержденные теории светового излучения показывают, что распределение яркости по спектру зависит от температуры тела. Зная эту зависимость, можно определить температуру Солнца и звезд. Температуру планет и звезд можно также определить с помощью термопар, прикрепленных к фокусу телескопа. Когда термопара нагревается, в ней возникает электрический ток, представляющий собой количество тепла от Солнца.
Спектральный анализ волос можно использовать для определения следующих состояний: нарушения минерального обмена, системные заболевания, выпадение волос, акне, низкий иммунитет, проблемы с щитовидной железой, аллергия, заболевания печени и печеночных желез. Другие заболевания.
Я не претендую на звание эксперта по Java. Представленные решения потенциально сомнительны как с точки зрения производительности и потребления памяти, так и с точки зрения общей философии Java и ООП, как бы вы ни старались их улучшить. Она была написана за несколько ночей в качестве проверки идей. Заинтересованные лица могут ознакомиться с исходным кодом на GitHub.
Практическая часть
Единственной проблемой было создание PDF-отчета по результатам анализа; PDFbox не хотел обрабатывать кириллические символы. Кстати, он до сих пор этого не делает.
В проекте были использованы следующие библиотеки: — JFreeChart — отображение диаграмм PDFBox — создание отчетов JLatexMath — отрисовка типов латекса.
В итоге получилась довольно большая программа (13,6 МБ), что делает этот проект легким для реализации.
Гармоники могут быть вырезаны вручную или эта задача может быть возложена на алгоритм.
Что такое спектральный анализ?
