7-Lesson №19

Звук — это колебания среды (воздуха, воды), которые воспринимает человеческое ухо. С помощью микрофона звук преобразуется в непрерывный (аналоговый) электрический сигнал, который в любой момент времени может принимать любое значение в некотором интервале (рис. 2.30).

Как вы знаете, современные компьютеры обрабатывают только дискретные сигналы (двоичные коды). Поэтому для работы со звуком необходима звуковая карта — специальное устройство, которое полученный с микрофона аналоговый сигнал превращает в двоичный код. Это называется оцифровкой звукового сигнала.

Оцифровка — это преобразование аналогового сигнала в цифровой код.

Число Т называется интервалом дискретизации, а обратная ему величина 1/Т — частотой дискретизации. Частота дискретизации обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Это число показывает, сколько раз в секунду выполняются измерения.

Чем больше частота дискретизации, тем точнее мы записываем сигнал, тем меньше информации теряем и тем лучше будет качество звучания. Однако при этом возрастает количество данных и увеличивается объём файла, в котором хранится закодированный звук.

Как же выбрать оптимальную частоту при кодировании? Учёные установили, что частоту дискретизации нужно брать в два раза больше, чем максимальная частота колебаний сигнала, который мы хотим записывать.

Известно, что человек в среднем слышит только звуки (колебания воздуха или другой среды) с частотами от 16 Гц до 20 кГц, поэтому все частоты выше 20 кГц можно «потерять» практически без ухудшения качества звука (человек не почувствует разницу!). Поэтому достаточно использовать частоту дискретизации около 40 кГц, повышать её дальше нет смысла. Более низкие частоты дискретизации применяют тогда, когда важно всячески уменьшать объём звуковых данных (например, для трансляции радиопередач через Интернет), даже ценой ухудшения качества.

С помощью оцифровки можно закодировать любой звук, который принимает микрофон. Это единственный способ кодирования человеческого голоса и различных природных звуков (шума прибоя, шелеста листвы и т. п.).

Однако у этого метода есть и недостатки:

Кроме того, что при кодировании звука выполняется дискретизация с потерей информации, нужно учитывать, что для хранения одного результата измерения в памяти отводится ограниченное место. При этом вносятся дополнительные ошибки.

Представим себе, например, что на одно измерение выделяется 3 бита. При этом код каждого сохранённого значения — это целое число от 0 до 7. Весь диапазон возможных значений сигнала делится на 8 полос, каждой из которых присваивается свой код. Все значения, попавшие в одну полосу, имеют одинаковый код (рис. 2.32).

Преобразование измеренного значения сигнала в целое число называется дискретизацией по уровню, или квантованием. Эту операцию выполняет АЦП — специальный блок звуковой карты.

Глубина кодирования (или разрядность кодирования) звука — это число бит, используемое для хранения одного отсчёта.

Устройства вывода звука — наушники и звуковые колонки — это аналоговые (не цифровые) устройства, поэтому при проигрывании звука звуковая карта должна как-то восстановить аналоговый сигнал. Вспомним, что у нас есть только значения, измеренные с интервалом Т. В простейшем случае по ним можно восстановить ступенчатый сигнал, который будет существенно отличаться от исходного (до кодирования). В современных звуковых картах для повышения качества звука этот ступенчатый сигнал сглаживается с помощью специальных фильтров, однако восстановить точно исходный сигнал всё равно не удаётся, так как информация о значениях сигнала между моментами квантования была потеряна при оцифровке (рис. 2.33).

Для повышения качества звука, т. е. для большего соответствия между сигналом, принятым микрофоном, и сигналом, выведенным из компьютера на колонки, нужно увеличивать частоту дискретизации, однако при этом, как вы уже знаете, увеличивается и объём файла.

Используя дополнительные источники, найдите ответы на вопросы.

Объём данных, полученный после оцифровки звука, зависит от разрядности кодирования и частоты дискретизации. Например, пусть частота оцифровки равна 44 кГц (за 1 с выполняется 44000 измерений сигнала), и используется 16-разрядное кодирование (каждое из измеренных значений занимает 16 бит = 2 байта). Тогда за 1 секунду накапливается 44 000 • 2 = 88 000 байт информации, а за 1 минуту:

88 000 • 60 = 5 280 000 байт = 5 Мбайт.

Используя дополнительные источники, найдите ответы на вопросы.

Выполнить домашнюю работу

Выполнить классную работу