Кодирование звуковой информации.

Звуковые колебания (волны) – механические колебания, частота которых лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц.

Звуковые колебания

20 Гц

20 000 Гц

Свойства :

• звук - продольная волна;
• распространяется в упругих средах (воздух, вода, различные металлы и т.д.);
• имеет конечную скорость.

Звук представляет собой распространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну с непрерывно меняющейся интенсивностью и частотой.

Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком ; выше: до 1 ГГц, - ультразвуком , от 1 ГГц - гиперзвуком .

Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в секунду (низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (высокий звук).

Единица громкости звука - децибел (дБ) (десятая часть бела).

Названа в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона.

• громкость звука – зависит от амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

• высота звука – определяется частотой колебаний воздуха.
• скорость звука – скорость распространения волн в среде.
• тембр звука – окраска звука, зависящая от источника звука (скрипка, рояль, гитара и т.д.).

sound_high_low.swf

sound_quiet_aloud.swf

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/2abcc892-c29e-4e08-9026-50ae9f2ee5e1/svyk_har-ka.htm

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/1a23d17e-f585-417e-b33b-7c63cd72c6fa/sound_high_low.swf

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/fc97b4df-f9de-407f-94a6-1844bfcee73d/sound_quiet_aloud.swf

fourth.swf

third.swf

Человек воспринимает звуковые волны (колебания воздуха) с помощью слуха в форме звука различных громкости и тона. Чем больше интенсивность звуковой волны, тем громче звук, чем больше частота волны, тем выше тон звука.

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/506a314a-de73-4baa-ab73-01301cab2512/fourth.swf

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/c6d1defd-4693-46b9-9019-4545e99f9565/third.swf

Зависимость громкости и высоты тона звука от интенсивности и частоты звуковой волны

Источник звука

Уровень (дБ)

Спокойное дыхание

Шёпот

Не воспринимается

Шелест листьев

10

17

Перелистывание газет

20

Обычный шум в доме

40

Прибой на берегу

40

Разговор средней громкости

50

Громкий разговор

Работающий пылесос

70

80

Поезд в метро

80

Концерт рок-музыки

100

Раскат грома

110

Реактивный двигатель

110

Выстрел из орудия

120

Болевой порог

120

Ухо человека имеет порог слышимости, т.е. минимальную интенсивность звука, которую в состоянии слышать человек. Величина порога в тишине будет минимальной, а при наличии шума будет повышаться.

Волны какой частоты вызывают у человека звуковые ощущения?

Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

• Звуковая информация

2. Временная дискредитация звука

3. Частота дискредитации

4. Глубина кодирования звука

5. Качество оцифрованного звука

6. Звуковые редакторы

Аналоговый

Дискретный

физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем они изменяются непрерывно .

физическая величина принимает конечное множество значений, причем они изменяются скачкообразно .

Виниловая пластинка (звуковая дорожка изменяет свою форму непрерывно)

Аудиокомпакт-диск (звуковая дорожка содержит участки с разной отражающей способностью)

Временная дискретизация – это разбиение непрерывной звуковой волны

на отдельные маленькие временные участки, причем для

каждого участка устанавливается определенная величина амплитуды.

A(t)

t

Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму с помощью временной дискретизации. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, для каждого такого участка устанавливается определенная величина интенсивности звука.

Таким образом, непрерывная зависимость громкости звука от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность "ступенек».

8

КВАНТОВАНИЕ - процесс замены реальных значений сигнала приближенными с определенной точностью.

БИТРЭЙТ (bitrate) - уровень квантования, объем информации в единицу времени (bits per second). То есть, какое количество информации о каждой секунде записи мы можем потратить. Измеряется в битах (bit).

Звуковая информация хранится в виде значений амплитуды, взятых

в определенные моменты времени

(т. е. измерения проводятся «импульсами»).

Для оцифровки звука используются специальные устройства: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Для того чтобы записать звук на какой-нибудь носитель, его нужно преобразовать в электрический сигнал.

Это делается с помощью микрофона. Микрофоны имеют мембрану, которая колеблется под воздействием звуковых волн. К мембране присоединена катушка, перемещающаяся синхронно с мембраной в магнитном поле. В катушке возникает переменный электрический ток.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП ( цифро-аналогового преобразователя , DAC).

Аудиоадаптер (звуковая плата) - устройство, преобразующее электрические колебания звуковой частоты в числовой двоичный код и наоборот.

8

ГЛУБИНА ДИСКРЕТИЗАЦИИ ЗВУКА ( I ) –

это количество информации, которое необходимо

для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука.

N – количество уровней громкости

I – глубина кодирования

• Пусть глубина кодирования звука составляет 16 битов, тогда количество уровней громкости звука равно:

N = 2 I = 2 16 = 65 536

• В процессе кодирования каждому уровню громкости звука присваивается свой 16-битовый двоичный код, наименьшему уровню звука будет соответствовать код 0000000000000000, а наибольшему - 1111111111111111.

Если известна глубина кодирования, то количество уровней громкости цифрового звука можно рассчитать по формуле N = 2 i

8

ЧАСТОТА ДИСКРЕТИЗАЦИИ ЗВУКА –

это количество измерений громкости звука

за одну секунду.

1 Гц = 1/с

1 кГц = 1000 /с

Качество полученного цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее "лесенка" цифрового звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала.

1 Гц означает одно исполнение такого процесса за одну секунду: 1 Гц= 1/с.

Частота дискретизации звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц.

Сэмплрэйт (samplerate) - частота дискретизации (или частота сэмплирования) - частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации (в частности, аналого-цифровым преобразователем - АЦП).

sound_frequency.swf

8

Параметр

Глубина кодирования

Телефонная связь

Среднее качество

Частота дискретизации

8 бит

8 бит или 16 бит

Звучание CD -диска

до 8 кГц

8-48 кГц

16 бит

до 48 кГц

Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука.

Самое низкое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству телефонной связи, получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим "моно").

Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству аудио-CD, достигается при частоте дискретизации 48 000 раз в секунду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим "стерео").

8 000 Гц — телефон, достаточно для речи, кодек Nellymoser;

22 050 Гц — радио;

44 100 Гц — используется в Audio CD;

48 000 Гц — DVD, DAT.

96 000 Гц — DVD-Audio (MLP 5.1)

192 000 Гц — DVD-Audio (MLP 2.0)

2 822 400 Гц — SACD Super audio CD 5.1 — (максимальная на 2008)

Чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла.

V = I * M * t * k

V - объем звукового файла,

I - глубина кодирования звука,

M - частота дискретизации звука,

t - длительность звучания файла,

k - количество каналов звучания

(режим моно k = 1, стерео k = 2)

Пример . Оцените информационный объем высокочественного стереоаудиофайла длительностью звучания 1 минута, если "глубина" кодирования 16 бит, а частота дискретизации 48 кГц.

Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:

16 бит * 48 000 * 2 = 1 536 000 бит = 187,5 Кбайт

Это значит, что битрейт или скорость воспроизведения должна быть равна 187,5 килобайт в секунду.

Информационный объем звукового файла длительностью 1 минута равен:

187,5 Кбайт/с * 60 с = 11 Мбайт

Редактирование звука - это любое это преобразование.

• Очистка от шумов
• Разделение стерео-записи на два различных файла:
• Микширование звука
• Наложение эффектов

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/1a7043e8-1a9b-433b-826d-7af581a72675/svyk_redakt.htm

• Звуковые редакторы позволяют изменять качество цифрового звука и объем звукового файла путем изменения частоты дискретизации и глубины кодирования.
• Оцифрованный звук можно сохранять без сжатия в звуковых файлах в универсальном формате WAV или в формате со сжатием МР3.
• При сохранении звука в форматах со сжатием отбрасываются "избыточные" для человеческого восприятия звуковые частоты с малой интенсивностью, совпадающие по времени со звуковыми частотами с большой интенсивностью. Применение такого формата позволяет сжимать звуковые файлы в десятки раз, однако приводит к необратимой потере информации (файлы не могут быть восстановлены в первоначальном виде).

WAVE (.wav) - наиболее широко распространенный формат. Используется в ОС Windows для хранения звуковых файлов.

MPEG-3 (.mp3) - наиболее популярный на сегодняшний день формат звуковых файлов.

MIDI (.mid ) - содержат не сам звук, а только команды для воспроизведения звука. Звук синтезируется с помощью FM- или WT-синтеза.

Real Audio (.ra, .ram ) - разработан для воспроизведения звука в Internet в режиме реального времени.

MOD (.mod) - музыкальный формат, в нем хранятся образцы оцифрованного звука, которые можно затем использовать как шаблоны для индивидуальных нот.

Главное меню

Панели инструментов

Временная шкала

http://www.audacity.ru/p1aa1.html

Область редактирования

http://www.audacity.ru/p1aa1.html

21

Выучить конспект, решить задачи в тетради.

Задачи «Кодирование звуковой информации»

Уровень «5»

Определите длительность звукового файла, который уместится на гибкой дискете 3,5”. Учтите, что для хранения данных на такой дискете выделяется 2847 секторов объемом 512 байт.

а) при низком качестве звука: моно, 8 бит, 8 кГц;

б) при высоком качестве звука: стерео, 16 бит, 48 кГц.

Уровень «4»

В распоряжении пользователя имеется память объемом 2,6 Мб. Необходимо записать цифровой аудиофайл с длительностью звучания 1 минута. Какой должна быть частота дискретизации и разрядность?

Уровень «3»

Определить объем памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет две минуты при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрешении 16 бит.