Звук. Звуковые файлы. Форматы звуковых файлов

Звук – это волновые колебания в упругой среде. Частота Амплитуда Измеряется в Гц. 1Гц = 1 колебание/сек Человек воспринимает звуки в диапазоне от 16 Гц до 20 к Гц Измеряется в Па (Паскалях). Воспринимаемая человеком громкость звука от 20 мк Па (едва различимый звук) до 200 Па (болевой порог). (сила звука, звуковое давление)

Логарифмическая шкала децибелов. Амплитуда L(дБ) – уровень звука; Р пч - порог чувствительности (2*10 -5 Па) Р зв - звуковое давление измеряемого звука Из-за широкого диапазона амплитуд чаще используется логарифмическая шкала децибелов (дБ): Тогда весь диапазон слышимости 0 – 140 дБ. Человек способен уловить различие в громкости, если звуки отличаются более, чем на 10%, т.е. на 1 дБ – это используется а алгоритмах сжатия звука для удаления маловажной информации.

Некоторые значения уровней шума Порог слышимости 0 дБ Шорох листьев, шум слабого ветра дБ Шепот (на задней парте)20-30 дБ Разговор средней громкости (в кабинете директора) дБ Автомагистраль с интенсивным движением дБ Авиадвигатели дБ Болевой порог 140 дБ

Способы хранения звука Звукозапись – процесс сохранения информации о параметрах звуковых волн Способы хранения Аналоговый Цифровой грампластинка магнитная лента временная дискретизация квантование

Способы хранения звука Звукозапись – процесс сохранения информации о параметрах звуковых волн Способы хранения Цифровой Результаты измерений записываются в цифровом виде с ограниченной точностью временная дискретизация квантование Параметры звукового сигнала измеряются не непрерывно, а через определенные промежутки времени

Искажение информации при оцифровке

Импульсно-кодовая модуляция (РСМ) Звук хранится в виде значений амплитуды, взятых в определенные моменты времени, т.е. измерение производится «импульсами» При записи звука в компьютер амплитуда измеряется через равные промежутки времени с высокой частотой. При восстановлении звука сохраненные значения используются для восстановления непрерывной формы выходного сигнала.

Оцифровка звука. Процесс получения цифровой формы звука называется оцифровкой. Устройство, выполняющее оцифровку звука называется АЦП - аналого-цифровой преобразователь (ACD); Устройство, выполняющее обратное преобразование – ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь (DAC);

Звуковая карта Состав: АЦП; ЦАП; сигнальный процессор (DSP)- специальная микросхема для обработки оцифрованного звука, выполняющий значительную часть рутинных расчетов при обработке звука: смешение звуков; наложение спецэффектов; расчет формы выходного сигнала; микросхема с набором «сэмплов»-образцов звуков для синтеза звуковых файлов формата MIDI

Принципы компьютерного воспроизведения звука

Параметры оцифровки звука Частота, с которой производят измерение сигнала, называется частотой дискретизации 8-11 к Гц – автоответчик, сотовый телефон; 22,05 к Гц – радио; 44,1 к Гц - AudioCD отсчеты подуровни При квантовании диапазон значений амплитуды разбивается на подуровни и сохраняется номер подуровня, в который попадает значение. Количество бит, используемых для записи номера поддиапазона (одного отсчета) называется глубиной кодирования. 8 бит – автоответчик, сотовый телефон; 16 бит – AudioCD, звуковая карта среднего качества

Размер звукового файла форматов *.cda, *.wav I(бит)=f(Гц)*R(бит)*N(каналов)*t(сек) f – частота дискретизации (Гц); R – глубина кодирования (разрядность звуковой карты); N – количество каналов (1 – моно, 2 – стерео); t – время звучания в сек. Увеличивая частоту дискретизации и глубину кодирования, можно более точно сохранить (и впоследствии восстановить) форму звукового сигнала, но при этом увеличивается объем сохраненных данных

Форматы звуковых файлов. MIDI базируется на пакетах данных, каждый из которых соответствует некоторому событию, в частности, нажатию клавиши или установке режима звучания; любое событие может одновременно управлять несколькими каналами, каждый из которых относится к определенному оборудованию; главным преимуществом файлов MIDI является их очень небольшой размер, поскольку это не детальная запись звука, а фактически некоторый расширенный электронный эквивалент традиционной нотной записи; поскольку звук не детализирован, то разное оборудование будет воспроизводить его по-разному, что в принципе может даже заметно исказить авторский музыкальный замысел.

Форматы звуковых файлов. WAV стандартный формат файлов для хранения звука в системе Windows; является специальным типом другого, более общего формата RIFF (Resource Interchange File Format); звуковые файлы WAV, как правило, более просты и имеют только один блок формата и один блок данных. В первом содержится общая информация об оцифрованном звуке (число каналов, частота дискретизации, характер зависимости громкости и т.д.), а во втором сами числовые данные; каждый отсчет занимает целое количество байт (например, 2 байта в случае 12-битовых чисел, старшие разряды содержат нули); при стереозаписи числа группируются парами для левого и правого канала соответственно, причем каждая пара образует законченный блок для нашего примера его длина составит 4 байта.

Форматы звуковых файлов. MP3 один из форматов хранения аудиосигнала, позднее утвержденный как часть стандартов сжатого видео; природа получения данного формата во многом аналогична сжатию графических данных по технологии JPEG; поскольку произвольные звуковые данные обратимыми методами сжимаются недостаточно хорошо, приходится переходить к методам необратимым: иными словами, базируясь на знаниях о свойствах человеческого слуха, звуковая информация подправляется так, чтобы возникшие искажения на слух были незаметны, но полученные данные лучше сжимались традиционными способами. Это называется адаптивным кодированием и позволяет экономить на наименее значимых с точки зрения восприятия человека деталях звучания; приемы, применяемые в MP3, непросты для понимания и опираются на достаточно сложную математику, но зато обеспечивают очень значительный эффект сжатия звуковой информации.