¿Cómo una sola lectura de voltaje de un micrófono se convierte en un espectro de audio completo?

Cuando pausa un archivo de audio en un editor, la visualización del espectro es la del audio que rodea ese punto en el tiempo, no el espectro de una muestra instantánea (porque, como se mencionó anteriormente, una muestra no es suficiente información para contener armónicos). Por supuesto, esto varía de un programa a otro, y solo los programas profesionales pesados cuentan con soporte técnico que le dirá cómo su software realmente "piensa". Pero aproximadamente de la misma manera que tus oídos y tu mente mantienen una instantánea de un sonido complejo cuando presionas el botón de pausa, el software hace algo parecido.

  

¿Cómo puede una sola lectura de voltaje en un solo momento en el tiempo   se correlacionan con tantas frecuencias diferentes que ocurren a tantos   ¿Pasan niveles diferentes en ese momento en el tiempo?

No lo hace. Una sola muestra no contiene información de frecuencia.

Parece que estás confundiendo una medición de dominio de tiempo con una medición de dominio de frecuencia. Es decir, en el dominio del tiempo, se realiza una medición en un punto determinado en el tiempo. Tu nivel de voltaje por ejemplo. Pero en el dominio de la frecuencia, por ejemplo, está tomando una medida de todas las diferentes frecuencias que conforman el sonido actual. Por ejemplo, el sonido periódico sostenido de una nota de piano. El sonido entre el ataque y el lanzamiento. Para esto, necesitarías varias muestras de dominio de tiempo. Suficiente para que se puedan discernir los diferentes componentes de frecuencia.

El micrófono le da una señal análoga a la presión sonora instantánea. Si trazamos esto con el tiempo (como en un osciloscopio) obtendrás ondas sinusoidales familiares y todo tipo de otras formas de onda.

Fourier demostró que cualquier forma de onda periódica, una que se repite, podría estar formada por ondas sinusoidales de la frecuencia fundamental y sus armónicos.

Hay una super animación por LucasVB que explica la descomposición de Fourier de una onda cuadrada:

[][6]

Figura1.TransformadadeFourierdelaseñaldeldominiodeltiempoeneldominiodelafrecuencia.

Observecómolamismainformaciónsepuedeverdedosmanerasradicalmentediferentes.

  

¿Cómoesposiblequeunasolalecturadevoltajeenunsolomomentoeneltiempopuedacorrelacionarsecontantasfrecuenciasdiferentesqueocurrenentantosnivelesdiferentesenesemomentoeneltiempo?

Nolohace.Essimplementelasumadelaspresionesdesonido(positivasynegativas)quelleganalmicrófonoeneseinstante.Nopuedetenerfrecuenciassintiempo,porloquesolocuandoanalizamoslaseñalconrespectoaltiempo(oescuchamoseltiemposuficiente)podemosextraerlasfrecuencias(oescucharlostonos).

DeberíapoderdemostrarloauditivamentemedianteunprogramacomoWavePad.Comienceconunclipmuycorto:solounciclodeunanotaotonodebajafrecuenciayveacuántosciclosnecesitaescucharantesdepoderidentificarlocomounanota.

Paraobtenermásinformación,consulte ¿Qué es exactamente? ¿Son los armónicos y cómo "aparecen"? (de donde copié la animación).

Estás pensando en el dominio de frecuencia , las ondas reales viajan en el dominio de tiempo . Estás viendo las diferentes frecuencias porque en algún lugar del software alguien ha usado una transformación (probablemente una transformada de Fourier o FFT) para dividir los componentes en sus respectivas frecuencias.

Sin embargo, el micrófono se movía hacia adelante y hacia atrás a medida que las ondas de sonido lo golpeaban, de modo que si usted midiera la posición del micrófono, habría estado en una posición en un momento dado, pero todas las formas se moverían continuamente a medida que cada onda Golpealo. Los voltajes serían singulares para cualquier momento del tiempo, y el ADC en su tarjeta de sonido solo registra una muestra por una instancia de tiempo. (para una tarjeta de sonido, el muestreo se realiza con mayor frecuencia a 24 kHz, 48 kHz o 96 kHz)

Un punto se puede representar como una frecuencia, pero lo único que sabemos es que tiene una frecuencia cero o DC. Si realmente desea muestrear una onda sinusoidal, necesita más de un punto, o la onda sinusoidal no se pudo volver a crear, no habría suficiente información:

  

Teorema de muestreo

     

El teorema de muestreo (a menudo llamado "Teorema de muestreo de Shannons") establece   que una señal continua debe muestrearse discretamente al menos el doble del   Frecuencia de la frecuencia más alta en la señal.

     

Más precisamente, una función continua f (t) está completamente definida por   muestrea cada 1 / fs (fs es la frecuencia de muestreo) si la frecuencia   el espectro F (f) es cero para f > fs / 2. fs / 2 se llama el Nyquist   frecuencia y coloca el límite en la frecuencia mínima de muestreo cuando   digitalizando una señal continua.

Fuente: FFT \ DFT

Entonces, para responder a tu pregunta:

  

¿Cómo es posible que una sola lectura de voltaje en un solo momento en el tiempo pueda correlacionarse con tantas frecuencias diferentes que ocurren en tantos niveles diferentes en ese momento en el tiempo?

No puede, el software de procesamiento de sonido probablemente está usando un truco para cortar la forma de onda antes de verla o completar la información para obtener las frecuencias en T = 0.