Минимальное и максимальное качество звука. Как кодируется звук. Цифровое кодирование и обработка звука. Повторяем единицы измерения информации

Мой дедушка слушал граммофон. Молодость отца прошла под музыку, доносившуюся из динамика катушечного магнитофона. На мою молодость пришелся расцвет и закат кассетных магнитофонов. Мой сын растет в эру цифрового звука. Чтобы не отставать от времени, и обеспечить сына хорошим «звуком», решил разобраться, от чего зависит качество воспроизведения цифрового аудио сигнала.

Пообщался с друзьями меломанами. Провел информационный поиск в Интернете. В итоге пришел к выводу, что качественного звучания в цифровую эру можно добиться, если правильно выбрать 7 основных элементов современных музыкальных центров:

• формат, в котором записана музыка;
• проигрыватель;
• цифро-аналоговый преобразователь;
• усилитель;
• акустику;
• кабели;
• питание.

Поделюсь ниже своими наблюдениями и выводами по поводу достижения качественного звучания записей в цифровых форматах.

Лирическое отступление, экспертам можно не читать.

В двух словах объясню, откуда берется звук в цифровом формате. В процессе звукозаписи микрофон преобразует механические колебания (собственно звук) в аналоговый электрический сигнал. Аналоговый сигнал в самом общем случае похож на синусоиду, которая всем нам знакома со времен средней школы. В эру аналогового звука именно этот сигнал записывался на различные носители и затем воспроизводился.

С развитием микропроцессорной техники появилась возможность записывать и хранить аудиоинформацию в цифровых форматах. Получают эти форматы с помощью процесса аналого-цифрового преобразования (АЦП).

В ходе АЦП аналоговый сигнал (нашу синусоиду из средней школы) преобразуют в дискретный (проще говоря, разрезают на части). На следующем этапе дискретный сигнал квантуют, т.е. каждому получившемуся отрезку синусоиды сопоставляют цифровое значение. На третьем этапе квантованный сигнал оцифровывают, т.е. кодируют в виде последовательности 0 и 1. Применительно к цифровой звукозаписи оцифровке подвергаются сведения об амплитуде и частоте звука.

Для записи и хранения цифровой аудиоинформации применяют цифровые аудиоформаты. Под аудиоформатом понимают набор требований к представлению звуковых данных в цифровом виде.

При рассуждении о качестве звучания цифровые форматы делят на 3 категории:

• Форматы без дополнительного сжатия (CDDA, DSD, WAV, AIFF и др.);
• Форматы, сжатые без потери качества (FLAC, WavPack, ADX и др.);
• Форматы, в которых применено сжатие с потерями (MP3, AAC, RealAudio и др.).

Звук высокого качества получается при воспроизведении музыки, сохраненной в форматах из первой и второй категорий. В форматах третьей категории, для уменьшения объема данных, намеренно исключают часть информации. Например, информацию о скрытых частотах.

Скрытыми называют частоты, лежащие за пределами диапазона восприятия среднестатистического человека: 20 Гц – 22 кГц. Для аудиофилов этот диапазон в силу индивидуальных психофизиологических особенностей бывает шире.

Для комплектации домашней аудиотеки следует выбирать записи, сохраненные в файлах с расширениями:

• *.wav, *.dff, *.dsf, *.aif, *.aiff – это файлы со звуком без сжатия;
• *.mp4, *.flac, *.ape, *.wma – это наиболее распространенные файлы со звуком, сжатым без потерь.

Из истории. Говорят, что самые первые опыты по сохранению звука проводили еще древние греки. Они пытались сохранить звук в амфорах. Выглядело это примерно так: в амфору произносили слова и быстро её закупоривали. Увы, не одной такой записи не дошло до наших дней.

Выбор проигрывателя нужно начинать с понимания, в каком виде будет формироваться домашняя аудиотека. Можно по старинке покупать компакт-диски или перейти к приобретению любимой музыки через Интернет. Последний вариант имеет два весомых преимущества. Он компактен и экологичен:

• Не встает вопрос о месте в квартире для хранения компакт дисков.
• Не нужно выбрасывать неисправные диски в мусор.

Определились, как покупать музыку? Отлично! Если будете покупать диски – Вам нужен проигрыватель компакт-дисков. Если предпочитаете покупки через Интернет – ищите проигрыватель на жестком диске или флешпамяти. Не определились? Отлично! Ищите универсальный проигрыватель. На таком можно и диски, и файлы, купленные через сеть, послушать.

Естественно, можно превратить в проигрыватель и персональный компьютер. Но этот вариант удобен тогда, когда компьютер действительно персональный. Перспектива конкуренции за место у клавиатуры и возможные конфликты существенно снизят удовольствие от прослушивания музыки в хорошем качестве.

При выборе проигрывателя особое внимание обратите на доступные разъемы. Чем больше вариантов разъемов, тем проще будет выбрать другие элементы музыкального центра.

Проигрыватель прочитал цифровую последовательность с компакт-диска или из файла. Теперь наступает самый математический момент воспроизведения цифрового звука. Цифровой сигнал преобразуется в аналоговый. Происходит эта матемагия в ЦАП, или цифро-аналоговом преобразователе.

ЦАП может быть встроен в проигрыватель или реализован в виде отдельного блока. Задаваясь целью получить звук высокого качества, нужно остановить свой выбор на втором варианте. Встроенный преобразователь обычно уступает отдельному по качеству. Внешний ЦАП имеет собственный блок питания, встроенный запитан от общего с проигрывателем источника. При использовании внешнего ЦАП на его работу почти не влияют помехи от проигрывателя и усилителя.

Внешний ЦАП по схемотехническим решениям реализуют в 4-х основных вариантах:

• Широтно-импульсный модулятор;
• Схема передискретизации;
• Взвешивающего типа;
• Лестничного типа, или цепная R-2R схема.

При таком богатстве выбора для достижения звучания высокого качества вариант R-2R оказывается безальтернативным. За счет специальной схемы, реализованной на прецизионных сопротивлениях, в ЦАП лестничного типа удается достичь очень высокой точности преобразования.

При выборе внешнего цифро-аналогового преобразователя следует обратить внимание на две основных характеристики:

• Разрядность. Хорошо, если у выбранной модели она равна 24 битам.
• Максимальная частота дискретизации. Очень хорошее значение 96 кГц, великолепное 192 кГц.

Для достижения качественного звучания вместе с акустической системой нужно покупать усилитель. По сути эти два элемента аудиоцентра работают как одно целое.

Немного теории. Усилитель это прибор, который предназначен для повышения мощности аналоговых сигналов звуковой частоты. Он позволяет согласовать сигнал, полученный с ЦАП, с возможностями акустики. По типу силовых элементов усилители мощности разделяют на ламповые и транзисторные. В каждой группе присутствуют приборы с обратной связью и без обратной связи. Введение обратной связи направлено на исправление искажений, которые вносит в усиливаемый сигнал сам усилитель. Однако при получении звука без искажений приходится смириться с потерей части динамического диапазона звука.

С точки зрения подбора тандема «акустика – усилитель» важна классификация последнего по типу характеристики силового элемента. Существуют усилители с триодной и пентодной характеристикой. Пентодные усилители бывают в ламповом и транзисторном исполнении. Они подходят для полочных или простых напольных акустических систем. Для чувствительной напольной акустики с диапазоном от 90 дБ лучше подбирать усилители с триодной характеристикой.

Еще до покупки нужно постараться добиться идеального баланса между возможностями усилителя и акустики. Лучше всего прямо в магазине попросить консультантов погонять выбранную акустическую систему совместно с разными усилителями. Выбрать нужно тот комплект, который больше понравился Вашему уху.

Что такое хорошая акустическая система – это самый запутанный вопрос. Выбор акустики зависит от индивидуальных особенностей слуха человека, параметров помещения, в котором будет размещена система, и финансовых возможностей. В этой системе с тремя переменными найти золотую середину очень непросто. Поэтому рассмотрим три принципиальных варианта решения задачи.

Решение первое. Бюджетное. Можно оснастить домашний аудиоцентр «полочными» акустическими системами. Эти небольшие по размеру системы можно разместить на книжной полке. Они удобны для маленького помещения. В силу малых размеров это еще и недорогой вариант. Существенный минус такого решения состоит в том, что «полочная» акустика не даст нормального звучания басов.

Решение второе. Роскошное. Если позволяют габариты помещения и финансовые возможности, то можно купить напольную акустику. Эта система, благодаря размерам, может содержать низкочастотный динамик большого диаметра. Значит, есть шансы насладиться хорошими басами.

Решение третье. «Золотой» компромисс. Это решение подойдет для больших и маленьких помещений и приемлемо по цене. Состоит оно в приобретении сабвуфера и сателлитов. Сабвуфер отвечает за качественное воспроизведение басов. На стеллитах идет воспроизведение высоких частот.

При выборе акустики не стоит следовать никаким советам. Нужно опираться только на свой собственный слух. Еще нужно быть готовым к тому, что звучание акустики в магазине и в вашей квартире будет различным.

Выбор соединительных проводников – это вопрос, который неизбежно придется решать для достижения качественного звука. О влиянии кабеля на звучание написано много статей. Единственное, в чем авторы достигли единства, это в требовании к длине кабеля. Чем короче, тем лучше – вот золотое правило выбора соединительных кабелей.

Немного теории. Кабели подразделяют на межблочные и акустические. Межблочные служат для соединения блоков аудиоцентра, например проигрывателя и ЦАП. Акустическими кабелями осуществляется подключение акустической системы к усилителю мощности.

По типу материала проводника кабели разделяют на OFC, OCC и композитные. OFC – это кабели из бескислородной меди, полученные методом протяжки. OCC – это кабели из монокристаллической меди, полученной напрямую из расплава. Композитные – это кабели, в которых проводник состоит из нескольких материалов.

Если вы задались целью создать идеальный аудиоцентр из блоков разных производителей, постарайтесь использовать минимальные по длине соединительные кабели. И будьте готовы экспериментировать для достижения идеального качества звучания.

Наконец наш домашний комплекс для качественного воспроизведения музыки в цифровом формате собран. Теперь остался сущий пустяк. Для хорошей аппаратуры нужно качественное электропитание. Если самые дорогие «брендовые» усилители, ЦАП, проигрыватели запитать от общей сети, то ни о каком качественном звуке речи быть не может. Загрязненное помехами напряжение убьет все усилия по подбору и покупке качественных блоков для аудиоцентра.

Организуйте питание каждого блока отдельным кабелем. Кабели нужно подключить непосредственно к распределительному щитку на вводе в жилище. Розетки для подключения должны обеспечивать высокую степень фиксации штепселя. Разумно использовать сетевой фильтр, он сделает питание, а, следовательно, и звучание более чистым.

Основными параметрами, влияющими на качество цифровой звукозаписи, являются:

§ Разрядность АЦП и ЦАП.

§ Частота дискретизации АЦП и ЦАП.

§ Джиттер АЦП и ЦАП

§ Передискретизация

Также немаловажными остаются параметры аналогового тракта цифровых устройств звукозаписи и звуковоспроизведения:

§ Отношение сигнал/шум

§ Коэффициент нелинейных искажений

§ Интермодуляционные искажения

§ Неравномерность амплитудно-частотной характеристики

§ Взаимопроникновение каналов

§ Динамический диапазон

Техника цифровой звукозаписи

Запись цифрового звука в настоящее время осуществляется на студиях звукозаписи, под управлением персональных компьютеров и другой дорогостоящей и качественной аппаратуры. Также довольно широко развито понятие «домашней студии», в которой применяется профессиональное и полупрофессиональное звукозаписывающее оборудование, позволяющее создавать качественные записи в домашних условиях.

Применяются звуковые карты в составе компьютеров, которые производят обработку в своих АЦП и ЦАП - чаще всего в 24 битах и 96 кГц, дальнейшее повышение битности и частоты дискретизации, практически не увеличивает качества записи.

Существует целый класс компьютерных программ - звуковых редакторов, которые позволяют, работать со звуком:

§ записывать входящий звуковой поток

§ создавать (генерировать) звук

§ изменять существующую запись (добавлять сэмплы, изменять тембр, скорость звука, вырезать части и т.п.)

§ перезаписывать из одного формата в другой

§ конвертировать конвертировать разные аудиокодеки

Некоторые простые программы, позволяют осуществлять только конвертацию форматов и кодеков.

Разновидности цифровых аудиоформатов

Существуют различные понятия звукового формата.

Формат представления звуковых данных в цифровом виде зависит от способа квантования цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). В звукотехнике в настоящее время наиболее распространены два вида квантования:

§ импульсно-кодовая модуляция

§ сигма-дельта-модуляция

Зачастую разрядность квантования и частоту дискретизации указывают для различных звуковых устройств записи и воспроизведения как формат представления цифрового звука (24 бита/192 кГц; 16 бит/48 кГц).

Формат файла определяет структуру и особенности представления звуковых данных при хранении на запоминающем устройстве ПК. Для устранения избыточности аудио данных используются аудиокодеки, при помощи которых производится сжатие аудиоданных. Выделяют три группы звуковых форматов файлов:

§ аудиоформаты без сжатия, такие как WAV, AIFF

§ аудиоформаты со сжатием без потерь (APE, FLAC)

§ аудиоформаты, с применением сжатия с потерями (mp3, ogg)

Особняком стоят модульные музыкальные форматы файлов. Созданные синтетически или из сэмплов заранее записанных живых инструментов, они, в основном, служат для создания современной электронной музыки (MOD). Также сюда можно отнести формат MIDI, который не является звукозаписью, но при этом с помощью секвенсора позволяет записывать и воспроизводить музыку, используя определенный набор команд в текстовом виде.

Форматы носителей цифрового звука применяют как для массового распространения звуковых записей (CD, SACD), так и в профессиональной звукозаписи (DAT, минидиск).

Для систем пространственного звучания также можно выделить форматы звука, в основном являющиеся звуковым многоканальным сопровождением к кинофильмам. Такие системы имеют целые семейства форматов от двух крупных конкурирующих компаний Digital Theater Systems Inc. - DTS и Dolby Laboratories Inc. - Dolby Digital.

Также форматом называют количество каналов в системах многоканального звука (5.1; 7.1). Изначально такая система была разработана для кинотеатров, но впоследствии была расширена Программный кодек

Аудиокодек на программном уровне

§ G.723.1 - один из базовых кодеков для приложений IP-телефонии

§ G.729 - патентованный узкополосный кодек, который применяется для цифрового представления речи

§ Internet Low Bitrate Codec (iLBC) - популярный свободный кодек для IP-телефонии (в частности, для Skype и Google Talk)

Аудиокодек (англ. Audio codec ; аудио кодер/декодер) - компьютерная программа или аппаратное средство, предназначенное для кодирования или декодирования аудиоданных.

Программный кодек

Аудиокодек на программном уровне является специализированной компьютерной программой, кодеком, который сжимает (производит компрессию) или разжимает (производит декомпрессию) цифровые звуковые данные в соответствии с файловым звуковым форматом или потоковым звуковым форматом. Задача аудиокодека как компрессора заключается в предоставлении аудиосигнала с заданным качеством/точностью и минимально возможным размером. Благодаря сжатию уменьшается объём пространства, требуемого для хранения аудиоданных, а также возможно снизить полосу пропускания канала, по которому передаются аудиоданные. Большинство аудиокодеков осуществлены как программные библиотеки, которые взаимодействуют с одним или несколькими аудиоплеерами, такими как QuickTime Player, XMMS, Winamp, VLC media player, MPlayer или Windows Media Player.

Популярные программные аудиокодеки по областям применения:

§ MPEG-1 Layer III (MP3) - проприетарный кодек аудиозаписей (музыка, аудиокниги и т. п.) для компьютерной техники и цифровых проигрывателей

§ Ogg Vorbis (OGG) - второй по популярности формат, широко используется в компьютерных играх и в файлообменных сетях для передачи музыки

§ GSM-FR - первый цифровой стандарт кодирования речи, использованный в телефонах GSM

§ Adaptive multi rate (AMR) - запись человеческого голоса в мобильных телефонах и других мобильных устройствах

Цель. Осмыслить процесс преобразования звуковой информации, усвоить понятия необходимые для подсчета объема звуковой информации. Научиться решать задачи по теме.

Цель-мотивация. Подготовка к ЕГЭ.

План урока

1. Просмотр презентации по теме с комментариями учителя. Приложение 1

Материал презентации: Кодирование звуковой информации.

С начала 90-х годов персональные компьютеры получили возможность работать со звуковой информацией. Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и воспроизводить звуковую информацию.

Процесс преобразования звуковых волн в двоичный код в памяти компьютера :

Процесс воспроизведения звуковой информации, сохраненной в памяти ЭВМ :

Звук представляет собой звуковую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон. Программное обеспечение компьютера в настоящее время позволяет непрерывный звуковой сигнал преобразовывать в последовательность электрических импульсов, которые можно представить в двоичной форме. В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его временная дискретизация . Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды.

Таким образом, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек».Каждой «ступеньке» присваивается значение уровня громкости звука, его код(1, 2, 3 и так

далее). Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний, соответственно, чем большее количество уровней громкости будет выделено в процессе кодирования, тем большее количество информации будет нести значение каждого уровня и тем более качественным будет звучание.

Аудиоадаптер (звуковая плата) - специальное устройство, подключаемое к компьютеру, предназначенное для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного преобразования (из числового кода в электрические колебания) при воспроизведении звука.

В процессе записи звука аудиоадаптер с определенным периодом измеряет амплитуду электрического тока и заносит в регистр двоичный код полученной величины. Затем полученный код из регистра переписывается в оперативную память компьютера. Качество компьютерного звука определяется характеристиками аудиоадаптера:

• Частотой дискретизации
• Разрядностью(глубина звука).

Частота временной дискретизации

Это количество измерений входного сигнала за 1 секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). Одно измерение за одну секунду соответствует частоте 1 Гц. 1000 измерений за 1 секунду – 1 килогерц (кГц). Характерные частоты дискретизации аудиоадаптеров:

11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц и др.

Разрядность регистра (глубина звука) число бит в регистре аудиоадаптера, задает количество возможных уровней звука.

Разрядность определяет точность измерения входного сигнала. Чем больше разрядность, тем меньше погрешность каждого отдельного преобразования величины электрического сигнала в число и обратно. Если разрядность равна 8 (16) , то при измерении входного сигнала может быть получено 2 8 = 256 (2 16 =65536) различных значений. Очевидно, 16 разрядный аудиоадаптер точнее кодирует и воспроизводит звук, чем 8-разрядный. Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. Количество различных уровней сигнала (состояний при данном кодировании) можно рассчитать по формуле:

N = 2 I = 2 16 = 65536, где I - глубина звука.

Таким образом, современные звуковые карты могут обеспечить кодирование 65536 уровней сигнала. Каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код. При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней сигнала. Качество кодирования зависит от количества измерений уровня сигнала в единицу времени, то есть частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации тем точнее процедура двоичного кодирования.

Звуковой файл - файл, хранящий звуковую информацию в числовой двоичной форме.

2. Повторяем единицы измерения информации

1 байт = 8 бит

1 Кбайт = 2 10 байт=1024 байт

1 Мбайт = 2 10 Кбайт=1024 Кбайт

1 Гбайт = 2 10 Мбайт=1024 Мбайт

1 Тбайт = 2 10 Гбайт=1024 Гбайт

1 Пбайт = 2 10 Тбайт=1024 Тбайт

3. Закрепить изученный материал, просмотрев презентацию, учебник

4. Решение задач

Учебник , показ решения на презентации.

Задача 1. Определить информационный объем стерео аудио файла длительностью звучания 1 секунда при высоком качестве звука(16 битов, 48 кГц).

Задача (самостоятельно). Учебник , показ решения на презентации.
Определить информационный объем цифрового аудио файла длительностью звучания которого составляет 10 секунда при частоте дискретизации 22,05 кГц и разрешении 8 битов.

5. Закрепление. Решение задач дома, самостоятельно на следующем уроке

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

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?

Объем свободной памяти на диске - 5,25 Мб, разрядность звуковой платы - 16. Какова длительность звучания цифро­вого аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 22,05 кГц?

Одна минута записи цифрового аудиофайла занимает на дис­ке 1,3 Мб, разрядность звуковой платы - 8. С какой частотой дискретизации записан звук?

Какой объем памяти требуется для хранения цифрового аудиофайла с записью звука высокого качества при условии, что время звучания составляет 3 минуты?

Цифровой аудиофайл содержит запись звука низкого качест­ва (звук мрачный и приглушенный). Какова длительность звучания файла, если его объем составляет 650 Кб?

Две минуты записи цифрового аудиофайла занимают на дис­ке 5,05 Мб. Частота дискретизации - 22 050 Гц. Какова раз­рядность аудиоадаптера?

Объем свободной памяти на диске - 0,1 Гб, разрядность зву­ковой платы - 16. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 44 100 Гц?

Ответы

№ 92. 124,8 секунды.

№ 93. 22,05 кГц.

№ 94. Высокое качество звучания достигается при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрядности аудиоадаптера, равной 16. Требуемый объем памяти - 15,1 Мб.

№ 95. Для мрачного и приглушенного звука характерны следующие параметры: частота дискретизации - 11 кГц, разрядность аудиоадаптера - 8. Длительность звучания равна 60,5 с.

№ 96. 16 битов.

№ 97. 20,3 минуты.

Литература

1. Учебник: Информатика, задачник-практикум 1 том, под редакцией И.Г.Семакина, Е.К. Хеннера)

2. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок»Звук. Двоичное кодирование звуковой информации. Супрягина Елена Александровна, учитель информатики.

3. Н. Угринович. Информатика и информационные технологии. 10-11 классы. Москва. Бином. Лаборатория знаний 2003.

Цели:

образовательные:

• Познакомиться с технологией двоичного кодирования файлов формата Wav
• Научиться решать задачи на определение объема звукового файла формата WAV

Временная дискретизация - процесс, при котором, во время кодирования непрерывного звукового сигнала, звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды. Чем больше амплитуда сигнала, тем громче звук.

Глубина звука (глубина кодирования) - количество бит на кодировку звука.

Уровни громкости (уровни сигнала) - звук может иметь различные уровни громкости. Количество различных уровней громкости рассчитываем по формуле N = 2 I где I - глубина звука.

Частота дискретизации - количество измерений уровня входного сигнала в единицу времени (за 1 сек). Чем больше частота дискретизации, тем точнее процедура двоичного кодирования. Частота измеряется в герцах (Гц). 1 измерение за 1 секунду -1 ГЦ.

1000 измерений за 1 секунду 1 кГц. Обозначим частоту дискретизации буквой D . Для кодировки выбирают одну из трех частот: 44,1 КГц, 22,05 КГц, 11,025 КГц.

Считается, что диапазон частот, которые слышит человек, составляет от 20 Гц до 20 кГц .

Качество двоичного кодирования - величина, которая определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации.

Аудиоадаптер (звуковая плата) - устройство, преобразующее электрические колебания звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и обратно (из числового кода в электрические колебания) при воспроизведении звука.

Характеристики аудиоадаптера: частота дискретизации и разрядность регистра.).

Разрядность регистра - число бит в регистре аудиоадаптера. Чем больше разрядность, тем меньше погрешность каждого отдельного преобразования величины электрического тока в число и обратно. Если разрядность равна I , то при измерении входного сигнала может быть получено 2 I = N различных значений.

Размер цифрового моноаудиофайла (A ) измеряется по формуле:

A = D * T * I /8 , где D - частота дискретизации (Гц), T - время звучания или записи звука, I разрядность регистра (разрешение). По этой формуле размер измеряется в байтах.

Размер цифрового стереоаудиофайла (A ) измеряется по формуле:

A =2* D * T * I /8 , сигнал записан для двух колонок, так как раздельно кодируются левый и правый каналы звучания.

Учащимся полезно выдать таблицу 1 , показывающую, сколько Мб будет занимать закодированная одна минута звуковой информации при разной частоте дискретизации:

Алгоритм 1 (Вычислить информационный объем звукового файла):

1) выяснить, сколько всего значений считывается в память за время звучания файла;

2) выяснить разрядность кода (сколько бит в памяти занимает каждое измеренное значение);

3) перемножить результаты;

4) перевести результат в байты;

5) перевести результат в К байты;

6) перевести результат в М байты;

Алгоритм 2 (Вычислить время звучания файла.)

1) Информационный объем файла перевести в К байты.

2) Информационный объем файла перевести в байты.

3) Информационный объем файла перевести в биты.

4) Выяснить, сколько значений всего измерялось (Информационный объем в битах поделить на разрядность кода).

5) Вычислить количество секунд звучания. (Предыдущий результат поделить на частоту дискретизации.)

1. Размер цифрового файла

Уровень «3»

1. Определить размер (в байтах) цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет 10 секунд при частоте дискретизации 22,05 кГц и разрешении 8 бит. Файл сжатию не подвержен.

Решение:

Формула для расчета размера (в байтах) цифрового аудио-файла: A = D * T * I /8.

Для перевода в байты полученную величину надо разделить на 8 бит.

22,05 кГц =22,05 * 1000 Гц =22050 Гц

A = D * T * I /8 = 22050 х 10 х 8 / 8 = 220500 байт.

Ответ: размер файла 220500 байт.

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

Решение :

A = D * T * I /8. - объем памяти для хранения цифрового аудиофайла.

44100 (Гц) х 120 (с) х 16 (бит) /8 (бит) = 10584000 байт= 10335,9375 Кбайт= 10,094 Мбайт.

Ответ: ≈ 10 Мб

Уровень «4»

3. 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?

Решение:

Формула для расчета частоты дискретизации и разрядности: D* I =А/Т

(объем памяти в байтах) : (время звучания в секундах):

2, 6 Мбайт= 2726297,6 байт

D* I =А/Т= 2726297,6 байт: 60 = 45438,3 байт

D=45438,3 байт: I

Разрядность адаптера может быть 8 или 16 бит. (1 байт или 2 байта). Поэтому частота дискретизации может быть либо 45438,3 Гц = 45,4 кГц ≈ 44,1 кГц -стандартная характерная частота дискретизации, либо 22719,15 Гц = 22,7 кГц ≈ 22,05 кГц - стандартная характерная частота дискретизации

Ответ:

	Частота дискретизации	Разрядность аудиоадаптера
1 вариант	22,05 КГц	16 бит
2 вариант	44,1 КГц	8 бит

4. Объем свободной памяти на диске — 5,25 Мб, разрядность звуковой платы — 16. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 22,05 кГц?

Решение:

Формула для расчета длительности звучания: T=A/D/I

(объем памяти в байтах) : (частота дискретизации в Гц) : (разрядность звуковой платы в байтах):

5,25 Мбайт = 5505024 байт

5505024 байт: 22050 Гц: 2 байта = 124,8 сек
Ответ: 124,8 секунды

5. Одна минута записи цифрового аудиофайла занимает на диске 1,3 Мб, разрядность звуковой платы — 8. С какой частотой дискретизации записан звук?

Решение:

Формула для расчета частоты дискретизации: D =А/Т/I

(объем памяти в байтах) : (время записи в секундах) : (разрядность звуковой платы в байтах)

1,3 Мбайт = 1363148,8 байт

1363148,8 байт: 60: 1 = 22719,1 Гц

Ответ: 22,05 кГц

6. Две минуты записи цифрового аудиофайла занимают на диске 5,1 Мб. Частота дискретизации — 22050 Гц. Какова разрядность аудиоадаптера?

Решение:

Формула для расчета разрядности: (объем памяти в байтах) : (время звучания в секундах): (частота дискретизации):

5, 1 Мбайт= 5347737,6 байт

5347737,6 байт: 120 сек: 22050 Гц= 2,02 байт =16 бит

Ответ: 16 бит

7. Объем свободной памяти на диске — 0,01 Гб, разрядность звуковой платы — 16. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 44100 Гц?

Решение:

Формула для расчета длительности звучания T=A/D/I

(объем памяти в байтах) : (частота дискретизации в Гц) : (разрядность звуковой платы в байтах)

0,01 Гб = 10737418,24 байт

10737418,24 байт: 44100: 2 = 121,74 сек =2,03 мин
Ответ: 20,3 минуты

8. Оцените информационный объем моноаудиофайла длительностью звучания 1 мин. если "глубина" кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно:
а) 16 бит и 8 кГц;
б) 16 бит и 24 кГц.

Решение:

а).

16 бит х 8 000 = 128000 бит = 16000 байт = 15,625 Кбайт/с

15,625 Кбайт/с х 60 с = 937,5 Кбайт

б).
1) Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:
16 бит х 24 000 = 384000 бит = 48000 байт = 46,875 Кбайт/с
2) Информационный объем звукового файла длительностью 1 минута равен:
46,875 Кбайт/с х 60 с =2812,5 Кбайт = 2,8 Мбайт

Ответ: а) 937,5 Кбайт; б) 2,8 Мбайт

Уровень «5»

Используется таблица 1

9. Какой объем памяти требуется для хранения цифрового аудиофайла с записью звука высокого качества при условии, что время звучания составляет 3 минуты?

Решение:

Высокое качество звучания достигается при частоте дискретизации 44,1КГц и разрядности аудиоадаптера, равной 16.
Формула для расчета объема памяти: (время записи в секундах) x (разрядность звуковой платы в байтах) x (частота дискретизации):
180 с х 2 х 44100 Гц = 15876000 байт = 15,1 Мб
Ответ: 15,1 Мб

10. Цифровой аудиофайл содержит запись звука низкого качества (звук мрачный и приглушенный). Какова длительность звучания файла, если его объем составляет 650 Кб?

Решение:

Для мрачного и приглушенного звука характерны следующие параметры: частота дискретизации — 11, 025 КГц, разрядности аудиоадаптера — 8 бит (см. таблицу 1). Тогда T=A/D/I. Переведем объем в байты: 650 Кб = 665600 байт

Т=665600 байт/11025 Гц/1 байт ≈60.4 с

Ответ: длительность звучания равна 60,5 с

Решение:

Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:
16 бит х 48 000 х 2 = 1 536 000 бит = 187,5 Кбайт (умножили на 2, так как стерео).

Информационный объем звукового файла длительностью 1 минута равен:
187,5 Кбайт/с х 60 с ≈ 11 Мбайт

Ответ: 11 Мб

Ответ: а) 940 Кбайт; б) 2,8 Мбайт.

12. Рассчитайте время звучания моноаудиофайла, если при 16-битном кодировании и частоте дискретизации 32 кГц его объем равен:
а) 700 Кбайт;
б) 6300 Кбайт

Решение:

а).
1) Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:


700 Кбайт: 62,5 Кбайт/с = 11,2 с

б).
1) Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:
16 бит х 32 000 = 512000 бит = 64000 байт = 62,5 Кбайт/с
2) Время звучания моноаудиофайла объемом 700 Кбайт равно:
6300 Кбайт: 62,5 Кбайт/с = 100,8 с = 1,68 мин

Ответ: а) 10 сек; б) 1,5 мин.

13. Вычислить, сколько байт информации занимает на компакт-диске одна секунда стереозаписи (частота 44032 Гц, 16 бит на значение). Сколько занимает одна минута? Какова максимальная емкость диска (считая максимальную длительность равной 80 минутам)?

Решение:

Формула для расчета объема памяти A = D * T * I :
(время записи в секундах) * (разрядность звуковой платы в байтах) * (частота дискретизации). 16 бит -2 байта.
1) 1с х 2 х 44032 Гц = 88064 байт (1 секунда стереозаписи на компакт-диске)
2) 60с х 2 х 44032 Гц = 5283840 байт (1 минута стереозаписи на компакт-диске)
3) 4800с х 2 х 44032 Гц = 422707200 байт=412800 Кбайт=403,125 Мбайт (80 минут)

Ответ: 88064 байт (1 секунда), 5283840 байт (1 минута), 403,125 Мбайт (80 минут)

2. Определение качества звука.

Для определения качества звука надо найти частоту дискретизации и воспользоваться таблицей №1

256 (2 8) уровней интенсивности сигнала -качество звучания радиотрансляции, использованием 65536 (2 16) уровней интенсивности сигнала - качество звучания аудио-CD. Самая качественная частота соответствует музыке, записанной на компакт-диске. Величина аналогового сигнала измеряется в этом случае 44 100 раз в секунду.

Уровень «5»

13. Определите качество звука (качество радиотрансляции, среднее качество, качество аудио-CD) если известно, что объем моноаудиофайла длительностью звучания в 10 сек. равен:
а) 940 Кбайт;
б) 157 Кбайт.

(, стр. 76, №2.83)

Решение:

а).
1) 940 Кбайт= 962560 байт = 7700480 бит
2) 7700480 бит: 10 сек = 770048 бит/с
3) 770048 бит/с: 16 бит = 48128 Гц -частота дискретизации - близка к самой высокой 44,1 КГц
Ответ: качество аудио-CD

б).
1) 157 Кбайт= 160768 байт = 1286144 бит
2) 1286144 бит: 10 сек = 128614,4 бит/с
3) 128614,4 бит/с: 16 бит = 8038,4 Гц
Ответ: качество радиотрансляции

Ответ: а) качество CD; б) качество радиотрансляции.

14. 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.

(, стр. 77, №2.85)

Решение:

а).



8 бит х 8 000 = 64 000 бит = 8000 байт = 7,8 Кбайт/с
3) Время звучания моноаудиофайла объемом 1423,5 Кбайт равно:
1423,5 Кбайт: 7,8 Кбайт/с = 182,5 с ≈ 3 мин

б).
1) Информационный объем дискеты равен:
2847 секторов х 512 байт = 1457664 байт = 1423,5 Кбайт
2) Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:
16 бит х 48 000 х 2= 1 536 000 бит = 192 000 байт = 187,5 Кбайт/с
3) Время звучания стереоаудиофайла объемом 1423,5 Кбайт равно:
1423,5 Кбайт: 187,5 Кбайт/с = 7,6 с

Ответ: а) 3 минуты; б) 7,6 секунды.

3. Двоичное кодирование звука.

При решении задач пользуется следующим теоретическим материалом:

Для того, чтобы кодировать звук, аналоговый сигнал, изображенный на рисунке,

плоскость разбивается на вертикальные и горизонтальные линии. Вертикальное разбиение -это дискретизация аналогового сигнала (частота измерения сигнала), горизонтальное разбиение - квантование по уровню. Т.е. чем мельче сетка - тем качественнее приближен аналоговый звук с помощью цифр. Восьмибитное квантование применяется для оцифровки обычной речи (телефонного разговора) и радиопередач на коротких волнах. Шестнадцатибитное - для оцифровки музыки и УКВ (ультро-коротко-волновые) радиопередач.

Уровень «3»

15. Аналоговый звуковой сигнал был дискретизирован сначала с использованием 256 уровней интенсивности сигнала (качество звучания радиотрансляции), а затем с использованием 65536 уровней интенсивности сигнала (качество звучания аудио-CD). Во сколько раз различаются информационные объемы оцифрованного звука? (, стр. 77, №2.86)

Решение:

Длина кода аналогового сигнала с использованием 256 уровней интенсивности сигнала равна 8 битам, с использованием 65536 уровней интенсивности сигнала равна 16 битам. Так как длина кода одного сигнала увеличилась вдвое, то информационные объемы оцифрованного звука различаются в 2 раза.

Ответ: в 2 раза.

Уровень « 4»

16. Согласно теореме Найквиста—Котельникова, для того чтобы аналоговый сигнал можно было точно восстановить по его дискретному представлению (по его отсчетам), частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше максимальной звуковой частоты этого сигнала.

• Какова должна быть частота дискретизации звука, воспринимаемого человеком?
• Что должно быть больше: частота дискретизации речи или частота дискретизации звучания симфонического оркестра?

Цель: познакомить учащихся с характеристиками аппаратных и программных средств работы со звуком. Виды деятельности: привлечение знаний из курса физики (или работа со справочниками). (, стр. ??, задача 2)

Решение:

Считается, что диапазон частот, которые слышит человек, составляет от 20 Гц до 20 кГц. Таким образом, по теореме Найквиста—Котельникова, для того чтобы аналоговый сигнал можно было точно восстановить по его дискретному представлению (по его отсчетам), частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше максимальной звуковой частоты этого сигнала. Максимальная звуковая частота которую слышит человек -20 КГц, значит, аппарату ра и программные средства должны обеспечивать частоту дискретизации не менее 40 кГц, а точнее 44,1 КГц. Компьютерная обработка звучания симфонического оркестра предполагает более высокую частоту дискретизации, чем обработка речи, поскольку диапазон частот в случае симфонического оркестра значительно больше.

Ответ: не меньше 40 кГц, частота дискретизации симфонического оркестра больше.

Уровень»5»

17. На рисунке изображено зафиксированное самописцем звучание 1 секунды речи. Закодируйте его в двоичном цифровом коде с частотой 10 Гц и длиной кода 3 бита. (, стр. ??, задача 1)

Решение:

Кодирование с частотой 10 Гц означает, что мы должны измерить высоту звука 10 раз за секунду. Выберем равноотстоящие моменты времени:

Длина кода в 3 бита означает 2 3 = 8 уровней квантования. То есть в качестве числового кода высоты звука в каждый выбранный момент времени мы можем задать одну из следующих комбинаций: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Их всего 8, следовательно, высоту звука можно измерять на 8 «уровнях»:

«Округлять» значения высоты звука будем до ближайшего нижнего уровня:

Используя данный способ кодирования, мы получим следующий результат (пробелы поставлены для удобства восприятия): 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

Примечание. Целесообразно обратить внимание учащихся на то, насколько неточно код передает изменение амплитуды. То есть частота дискретизации 10 Гц и уровень квантования 2 3 (3 бита) слишком малы. Обычно для звука (голоса) выбирают частоту дискретизации 8 кГц, т. е. 8000 раз в секунду, и уровень квантования 2 8 (код длиной 8 бит).

Ответ: 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

18. Объясните, почему уровень квантования относится, наряду с частотой дискретизации, к основным характеристикам представления звука в компьютере. Цели: закрепить понимание учащимися понятий «точность представления данных», «погрешность измерения», «погрешность представления»; повторить с учащимися двоичное кодирование и длину кода. Вид деятельности: работа с определениями понятий. (, стр. ??, задача 3)

Решение:

В геометрии, физике, технике есть понятие «точность измерения», тесно связанное с понятием «погрешность измерения». Но есть еще и понятие «точность представления». Например, про рост человека можно сказать, что он: а) около. 2 м, б) чуть больше 1,7 м, в) равен 1 м 72 см, г) равен 1 м 71 см 8 мм. То есть для обозначения измеренного роста можно использовать 1, 2, 3 или 4 цифры.
Так же и для двоичного кодирования. Если для записи высоты звука в конкретный момент времени использовать только 2 бита, то, даже если измерения были точны, передать можно только 4 уровня: низкий (00), ниже среднего (01), выше среднего (10), высокий (11). Если использовать 1 байт, то можно передать 256 уровней. Чем выше уровень квантования , или, что то же самое, чем больше битов отводится для записи измеренного значения, тем точнее передается это значение.

Примечание. Следует отметить, что измерительный инструмент тоже должен поддерживать выбранный уровень квантования (длину, измеренную линейкой с дециметровыми делениями, нет смысла представлять с точностью до миллиметра).

Существует три основных типа аудиоцифры:

• формат — без сжатия;
• формат (lossy) — сжатие с потерями;
• формат (lossless) — сжатие без потерь.

Lossy — сжатие с потерями: технология при которой происходит значительное уменьшение кодированного файла в сравнении с исходным оригиналом, за счет изъятия не воспринимаемой человеческим слухом информации.

Минусом данной технологии является тот факт, что сжатый файл никогда не будет идентичен оригинальному.

Список наиболее распространённых lossy-форматов:

• AAC (.m4a, .mp4, .m4p, .aac) - Advanced Audio Coding (часто в контейнере MPEG-4)
• MP2 (MPEG Layer 2)
• MP3 (MPEG Layer 3)
• MPC (известен как Musepack, прежде носил имена MPEGplus или MP+)
• Ogg Vorbis
• WMA (Windows Media Audio)

Формат	Квантование, бит	Частота дискрети-зации, кГц	Величина потока данных с диска, кбит/с	Степень сжатия/упаковки
DTS	20-24	48; 96	до 1536	~3:1 с потерями
MP3	плавающий	до 48	до 320	11:1 с потерями
AAC	плавающий	до 96	до 529	с потерями
Ogg Vorbis	до 32	до 192	до 1000	с потерями
WMA	до 24	до 96	до 768	2:1, есть версия без потерь

Lossless — аудио-форматы с сжатием без потерь, к ним относятся:

• FLAC (Free Lossless Audio Codec)
• APE (Monkey’s Audio)
• WV (WavPack)

Данные форматы способны преобразовать CD в цифровой формат с сохранением качества. Как пример вы можете взять CD, преобразовать его в WAV, далее формат WAV во FLAC, затем обратно из FLAC в WAV, после чего записать на чистый CD диск и у вас получится абсолютно идентичная копия вашего исходника.

В каком формате музыка звучит наиболее качественно

Наиболее популярным является lossless формат FLAC, а одной из самых часто используемых программ для преобразования CD в формат FLAC является EAC (Exact Audio Copy).

Из всех параметров цифрового аудио необходимо обращать внимание в первую очередь на следующие показатели:

частота дискретизации (точность оцифровки аналогового сигнала по времени),
битрейт (количество содержащейся в файле информации в пересчёте на секунду).

Частота дискретизации — это частота, с которой происходит обработка цифрового аудио. Наиболее распространенная частота дискретизации в качественных аудио форматах 44.1 кГц

Принято считать, что высокий битрейт гарантирует лучшее качество — это верно, но только при условии качественного исходного файла. Качественный MP3 должен быть с битрейтом 320 kbps, а вот качественный формат FLAC обычно имеет битрейт от 900 и выше kbps.

Какой самый лучший формат музыки по качеству

Помимо самих форматов аудио, для качественного звучания музыки необходима и качественная аппаратура для воспроизведения: колонки, усилители, наушники. Другими словами используя настольные колонки для пк и бюджетные наушники вам не удастся в полной мере насладиться качественным звуком и раскрыть весь потенциал lossless форматов.

Не вдаваясь глубоко в технические подробности, можно посоветовать следующие форматы:

Для домашнего прослушивания рекомендую на мой взгляд лучший формат FLAC. Для Аудио плеера хорошим решением будет формат MP3 с битрейтом не ниже 320 kbps. Лично я использую на всех устройствах только формат FLAC, благо объемы microSD карт позволяют хранить достаточный объем данных в плеере.

Что касается аппаратуры для качественного воспроизведения музыки, то советую обратить внимание на следующие бренды:

Если бюджетная акустика вас не устраивает и вы поклонник качественного звучания (Hi-Fi или Hi-End) аппаратуры, то тут все в ваших руках и ограничено лишь вашим бюджетом, рекомендации давать не буду.