амплитуда волны при кодировании звуковой информации определяет

Звук – это волны, распространяющиеся в твердых телах, жидкостях и газах, вызванные колебаниями частиц среды. Изменения давления акустической волны на препятствия, позволяет слуховому аппарату человека регистрировать звук.

Основными характеристиками любой волны являются частота и амплитуда. Амплитуда акустического сигнала характеризует громкость звука, а частота – тон.

Акустическая волна является непрерывной, поэтому для обработки на компьютере ее необходимо преобразовать в цифровую форму. В ходе кодирования звуковая информация подвергается временной дискретизации и квантованию.

В течении временной дискретизации непрерывный диапазон значений амплитуды звуковой волны квантуется путем разбиения на дискретную последовательность значений амплитудных уровней (см. рис. 2).

Количество бит, отводимых для записи номеров уровней называется глубиной кодирования звука.

Глубина кодирования звука связана с количеством уровней квантования по формуле:
N = 2 i
где N – количество уровней разбиения амплитуды сигнала,
i – число бит (глубина кодирования), отводимых для кодирования уровней амплитуды сигнала

Чем выше частота дискретизации и глубина кодирования звука, тем точнее цифровое представление оригинального непрерывного звукового сигнала.

Повышая частоту дискретизации и глубину кодирования звука, можно более точно сохранить, а затем восстановить форму оригинального звукового сигнала. Необходимо заметить, что в этом случае увеличивается объем сохраняемого файла. В различных ситуациях при цифровой записи звука используют разные значения частоты дискретизации и глубины кодирования звука.

Copyright © 2014-2021, Урок информатики
Все права защищены

Источник

Кодирование звуковой информации

Звук и его дискретность

Звук являет собой волну, имеющую изменяющуюся со временем частоту и амплитуду колебаний. Иными словами, это непрерывный сигнал. Чем тише звук, который слышит человеческое ухо, тем ниже его амплитуда, а чем ниже его тон, тем меньше частота звукового сигнала.

На сегодняшний день для производства звуковых карт используется глубина кодирования звуковой волны величиной 64, 32 и 16 бит. Для удобства использования непрерывность звукового колебания при кодировании заменяют на последовательные отдельные сигналы, являющие собой последовательный ряд электрических импульсов, записанных с помощью нулей и единиц системы двоичного исчисления.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Частота дискретизации звуковой волны

Объем звуковой информации

Чем больше по объему аудио файл, тем лучше будет качество его воспроизведения. Объем более качественного файла всегда меньше объема файла с низким качеством, при равной их продолжительности.

Для расчета объема информации, занимаемого аудио файлом с одной звуковой дорожкой, используют нижеприведенную формулу:

Рассмотрим пример, когда время звучания аудио файла 5 минут с высоким качеством воспроизведения с частотой дискретизации 48000 Гц и глубиной кодирования 64 бит, то объем такого файла будет составлять:

\(V = 5 * 60 * 48000 * 64 = 921600000 бит,\)

что составляет 115200000 байт, или 115200 Кбайт, или 115,2 Мбайт.

Для стереозвука расчет объема производится по той же формуле, лишь только с той разницей, что нужно еще умножить на два, так как файл со стереозвуком обычно занимает в два раза больше места из-за того, что процесс дискретизации во время кодирования стереозвука проводится для каждой дорожки отдельно.

Самые распространенные методы аудио кодирования

Аудио информация кодируется обычно с применением методов двоичного кода, из них самыми популярными являются таблично-волновой метод (Wave-Table) и метод модуляции частоты (FM).

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Таблично-волновой метод (англ. Wave-Table) базируется на использовании предварительно разработанной таблицы, которая состоит из ячеек, содержащих все возможные звуки окружающей среды (птиц, животных, природы, музыкальных инструментов и так далее). Они представлены в виде цифровых кодов, каждый из них имеет свою определенную частоту, высоту, глубину, длительность и другие звуковые параметры. Благодаря тому, что образцы представляют собой реальные существующие звуки, воспроизводимый звук будет достаточно высококачественным, и сильно напоминать звуки живых инструментов.

Распространенные форматы аудио файлов

Аудио файлы бывают различных форматов. Рассмотрим самые распространенные из них:

Источник

Кодирование звуковой информации

Кодирование звуковой информации

Введение

Не до конца понимаете, как происходит кодирование звуковой информации? Запутались в аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях? Записывайтесь ко мне на индивидуальный урок по информатике и ИКТ. Кроме рассмотрения теоретических сведений мы с вами прорешаем колоссальное количество тематических примеров.

Общие сведения о звуковой информации

В течение дня обычный человек слышит большое количество различных звуков. Давайте попытаемся кратко понять, что же такое звук. Звук – колебания воздуха, которые были созданы неким источником.
Под источником звука можно понимать любой предмет, объект, который способен генерировать звуковые волны:

Человек, который что-то произнес.

Проезжающий поезд, от которого исходит шум.

Музыкальные инструменты, на которых играет музыкант.

В самом широком физическом смысле под звуком следует понимать простую волну. Если говорить о графической интерпретации звука, то звуковые волны следует представлять, как множество синусоидальных графиков функций, каждый из которых имеет ряд обязательных параметров.

Звук обладает множеством характеристик, но ключевыми являются лишь две:

Амплитуда звуковой волны.

Частота звуковой волны.

Об этих свойствах будет детально рассказано в следующем разделе данной статьи.

Сейчас я вам покажу график функций идеальной звуковой волны, которой в природе физически не существует.

Графическое представление идеальной звуковой волны

Также хочу продемонстрировать график функций неидеальной звуковой волны, которая является речью обыкновенного человека.

Графическое представление неидеальной звуковой волны, которая является речью человека

Посмотрев на оба выше представленных графика функций, у вас должны возникнуть следующие мысли и закономерный вопрос: если перед нами изображен график функций, то где координатная ось, координатная сетка, градуированные шкалы осей ОХ и оси ОY, а также нужно понять, на основании каких закономерностей построены данные графики функций? То есть, какие параметры выступают значением по оси абсцисс и по оси ординат. О данных характеристиках, параметрах будет рассказано ниже.

Характеристики звуковой информации

Как было сказано выше, что звук обладает двумя ключевыми характеристиками: амплитудой и частотой.

Амплитуда – по сути, громкость или сила звука, измеряемая в децибелах. В физике принято сокращение единицы децибел до дБ. Человек в дневное время суток способен воспринимать звуки громкостью от 10-15 дБ. Уровень громкости звука является относительной величиной. Болевой порог для человека составляет уровень громкости звука в 120-130 дБ.

Частота – отношение количества колебаний звуковой волны в единицу времени. Иногда вместо термина «частота звука» используется термин «высота звука». Единицей измерения частоты в мировой системе СИ является герц. Обозначается единица герц как Гц. Человек воспринимает звуковые волны в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц. Звуковые волны, имеющие частотность меньше, чем 20 Гц, называют инфразвуком. Звуковые волны, имеющие частотность выше, чем 20000 Гц, называют ультразвуком.

Влияние частоты на тип звука

Давайте вернемся к графикам функций идеальной и неидеальной звуковой волны.

Наша задача – разобраться, какая величина откладывается на оси абсцисс, а какая – на оси ординат.

Очевидно, что одной из осей является популярнейшая характеристика большинства физических графиков функций – время. Мы не сможем исследовать поведение звуковой волны, если не будем рассматривать ее в различные отрезки времени. Следовательно, осью абсцисс является параметр время. Единицей измерения является, например, секунда или миллисекунда.

Осью ординат выступает амплитуда или громкость рассматриваемой звуковой волны. Чем больше громкость или выше амплитуда, тем выше проходит график функций, соответствующий анализируемой звуковой волне.

Представим те же самые графики функций звуковых волн, но уже с обозначениями осей координат и их градуировкой.

Частота дискретизации звука

Необходимо знать, что процессор персонального компьютера взаимодействует с любыми данными на уровне двоичного кода. Двоичный или бинарный код – цепочки битов, которые принимают только одно из двух предопределенных значений, – 0 или 1.

Под кодированием звуковой информации следует понимать преобразование аналогового звукового сигнала в формат, понятный процессору персонального компьютера, то есть в двоичный код. Аналоговый или непрерывный звуковой сигнал у нас представлен в виде графика функций, как зависимость амплитуды от времени.

Чтобы оцифровать аналоговый звуковой сигнал разобьем ось, выражающую время, на некоторое количество равных отрезков и произведем замеры амплитуды/громкости в каждом отрезке. Предлагаю произвести разбивку с шагом 0.1 секунды.

Дискретизация – процесс преобразования непрерывного сигнала в дискретный, то есть прерывный сигнал. Под частотой дискретизации следует понимать частоту взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации. В нашем случае дискретизация – операция, связанная с разбивкой оси абсцисс, отвечающей за время, на отдельные одинаковые участки. А частотой дискретизации является значение, равное 10 Гц. То есть мы производим 10 замеров амплитуды звуковой волны за 1 секунду.

Дискретизация неидеальной звуковой волны

Таблица значений громкости звуковой волны при частоте дискретизации 10 Гц:

Источник

Обработка звука

Под обработкой звука следует понимать различные преобразования звуковой информации с целью изменения каких-то характеристик звучания. К обработке звука относятся способы создания различных звуковых эффектов, фильтрация, а также методы очистки звука от нежелательных шумов, изменения тембра и т.д. Все это огромное множество преобразований сводится, в конечном счете, к следующим основным типам:

1. Амплитудные преобразования. Выполняются над амплитудой сигнала и приводят к ее усилению/ослаблению или изменению по какому-либо закону на определенных участках сигнала.

2. Частотные преобразования. Выполняются над частотными составляющими звука: сигнал представляется в виде спектра частот через определенные промежутки времени, производится обработка необходимых частотных составляющих, например, фильтрация, и обратное «сворачивание» сигнала из спектра в волну.

3. Фазовые преобразования. Сдвиг фазы сигнала тем или иным способом; например, такие преобразования стерео сигнала, позволяют реализовать эффект вращения или «объёмности» звука.

4. Временные преобразования. Реализуются путем наложения, растягивания/сжатия сигналов; позволяют создать, например, эффекты эха или хора, а также повлиять на пространственные характеристики звука.

Аналоговый и дискретный способы представления звука

Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме.

При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно.

При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно.

Примером аналогового хранения звуковой информации является виниловая пластин­ка (звуковая дорожка изменяет свою форму непрерывно), а дискретного — аудиокомпакт-диск (звуковая дорожка которого содержит участки с различной отражающей способностью).

Восприятие звука человеком

Звуковые волны улавливаются слуховым органом и вызывают в нем раздражение, которое передается по нервной системе в головной мозг, создавая ощущение звука.

Колебания барабанной перепонки в свою очередь передаются во внутреннее ухо и раздражают слуховой нерв. Так образом человек воспринимает звук.

В аналоговой форме звук представляет собой волну, которая характеризуется:

Герц (Гц или Hz) — единица измерения частоты колебаний. 1 Гц= 1/с

Человеческое ухо может воспринимать звук с частотой от 20 колебаний в секунду (20 Герц, низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (20 КГц, высокий звук).

Кодирование звуковой информации

Для того чтобы комп ьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

Качество кодирования звуковой информации зависит от :

1)частотой дискретизации, т.е. количества измерений уровня сигнала в единицу времени. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее процедура двоичного кодирования.

2)глубиной кодирования, т.е. количества уровней сигнала.

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.

Форматы звуковых файлов

РСМ. РСМ расшифровывается как pulse code modulation, что и является в переводе как импульсно-кодовая. Файлы именно с таким расширением встречаются довольно редко. Но РСМ является основополагающей для всех звуковых файлов.

RIFF. Resource Interchange File Format. Уникальная система хранения любых структурированных данных.

MOD. Файл хранит в себе короткий образец звука, который потом можно использовать в качестве шаблона для инструмента.

AIF или AIFF. Audio Interchange File Format. Данный формат распространен в системах Apple Macintosh и Silicon Graphics. Заключает в себе сочетание MOD и WAV.

MID. Файл, хранящий в себе сообщения MIDI-системе, установленной на Вашем компьютере или в устройстве.

МР3. Самый скандальный формат за последнее время. Многие для объяснения параметров сжатия, которые в нем применяют, сравнивают его с jpeg для изображений. Там очень много наворотов в вычислениях, чего и не перечислишь, но коэффициент сжатия в 10-12 раз сказали о себе сами. Специалисты говорят о контурности звука как о самом большом недостатке данного формата. Действительно, если сравнивать музыку с изображением, то смысл остался, а мелкие нюансы ушли. Качество МР3 до сих пор вызывает много споров, но для «обычных немузыкальных» людей потери не ощутимы явно.

RA. Real Audio или потоковая передача аудиоданных. Довольно распространенная система передачи звука в реальном времени через Интернет. Скорость передачи порядка 1 Кб в секунду. Полученный звук обладает следующими параметрами: 8 или 16 бит и 8 или 11 кГц.

Источник

Кодирование и обработка звуковой информации

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

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 (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Зависимость громкости и высоты тона звука от интенсивности и частоты звуковой волны

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

Человек может воспринимать звук в огромном диапазоне интенсивностей, в котором максимальная интенсивность больше минимальной в 10 14 раз (в сто тысяч миллиардов раз). Для измерения громкости звука применяется специальная единица «децибел» (дбл) (табл. 5.1). Уменьшение или увеличение громкости звука на 10 дбл соответствует уменьшению или увеличению интенсивности звука в 10 раз.

Таблица 5.1. Громкость звука

Временная дискретизация звука. 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» (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Временная дискретизация звука

Частота дискретизации. Для записи аналогового звука и г го преобразования в цифровую форму используется микрофон, подключенный к звуковой плате. Качество полученного цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за I секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее «лесенка» цифрового звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала.

Частота дискретизации звука может лежать в диапазоне от 8000 до 48 000 измерений громкости звука за одну секунду.

Глубина кодирования звука. Каждой «ступеньке» присваивается определенное значение уровня громкости звука. Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний N, для кодирования которых необходимо определенное количество информации I, которое называется глубиной кодирования звука.

N = 2 I = 2 16 = 65 536.

Качество оцифрованного звука. 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»).

Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла. Можно оценить информационный объем цифрового стереозвукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем качестве звука (16 битов, 24 000 измерений в секунду). Для этого глубину кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1 секунду й умножить на 2 (стереозвук):

16 бит × 24 000 × 2 = 768 000 бит = 96 000 байт = 93,75 Кбайт.

Звуковые редакторы. Звуковые редакторы позволяют не только записывать и воспроизводить звук, но и редактировать его. Оцифрованный звук представляется в звуковых редакторах в наглядной форме, поэтому операции копирования, перемещения и удаления частей звуковой дорожки можно легко осуществлять с помощью мыши. Кроме того, можно накладывать звуковые дорожки друг на друга (микшировать звуки) и применять различные акустические эффекты (эхо, воспроизведение в обратном направлении и др.).

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).

Контрольные вопросы

1. Как частота дискретизации и глубина кодирования влияют на качество цифрового звука?

Задания для самостоятельного выполнения

1. Задание с выборочным ответом. Звуковая плата производит двоичное кодирование аналогового звукового сигнала. Какое количество информации необходимо для кодирования каждого из 65 536 возможных уровней интенсивности сигнала?

1) 16 битов; 2) 256 битов; 3) 1 бит; 4) 8 битов.

2. Задание с развернутым ответом. Оценить информационный объем цифровых звуковых файлов длительностью 10 секунд при глубине кодирования и частоте дискретизации звукового сигнала, обеспечивающих минимальное и максимальное качество звука:

а) моно, 8 битов, 8000 измерений в секунду;

б) стерео, 16 битов, 48 000 измерений в секунду.

3. Задание с развернутым ответом. Определить длительность звукового файла, который уместится на дискете 3,5″ (учтите, что для хранения данных на такой дискете выделяется 2847 секторов объемом 512 байтов каждый):

а) при низком качестве звука: моно, 8 битов, 8000 измерений в секунду;

б) при высоком качестве звука: стерео, 16 битов, 48 000 измерений в секунду.

Источник