Звук. Звуковая информация

1. Звук

ЗВУК

2.

Звук – это механические колебания среды:
воздуха, воды и т.д, воспринимаемые
слуховым аппаратом человека.
То, что мы слышим – это результат обработки
колебательных движений барабанной
перепонки уха, представленный в виде
сигналов нервной системы. Вне среды
переноса звуковых волн звук не существует.

3.

Звуковую информацию можно также
представить в математической форме, в
виде периодических функций времени.
Это представление обычно записывают в
виде формулы
A(t ) a0 ak cos k t bk sin k t
k 0
Здесь A(t) – амплитуда звукового сигнала,
а t – время.

4.

Частота
Измеряется в Гц. 1Гц = 1 колебание/сек
Человек воспринимает звуки в диапазоне от 16 Гц до 20
кГц
Амплитуда(сила звука, звуковое давление)
Измеряется в Па (Паскалях).
Воспринимаемая человеком громкость звука от 20 мкПа
(едва различимый звук) до 200 Па (болевой порог).
Из-за широкого диапазона амплитуд чаще используется
логарифмическая шкала децибелов (дБ). 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.

5. Некоторые значения уровней шума

НЕКОТОРЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УРОВНЕЙ
ШУМА
Порог слышимости
0 дБ
Шорох листьев, шум слабого ветра
10-20 дБ
Шепот (на задней парте)
20-30 дБ
Разговор средней громкости
(в кабинете директора)
Автомагистраль с интенсивным
движением
50-60 дБ
Авиадвигатели
120-130 дБ
Болевой порог
140 дБ
80-90 дБ

6. Способы хранения звука

СПОСОБЫ ХРАНЕНИЯ ЗВУКА
Звукозапись – процесс сохранения информации о
параметрах звуковых волн
Способы хранения
Аналоговый
грампластинка
магнитная лента
Цифровой
временная
дискретизаци
я
квантование
кодирование

7.

На магнитной ленте, виниловой
пластинке звук сохраняется в виде
непрерывного электрического сигнала,
определяющего изменение звуковых
волн.
Звук, создаваемый электрическими
волнами, называют аналоговым.

8.

Звук может храниться на цифровых носителях, т.е.
быть представленным в двоичном коде (0 или 1)
(цифровой). Любая цифровая техника или
программа работают со звуком, представленным в
цифровом виде. Таким образом, для переноса
звука на цифровой носитель, необходимо
осуществить его аналогово-цифровое
преобразование. Такое преобразование состоит из
трех этапов:
дискретизация – представление непрерывного
сигнала в виде последовательного набора
отдельных амплитуд;
квантование – разделение каждой амплитуды на
заданное число уровней;
кодирование – запись данных позиции и уровня
амплитуды в цифровом виде.

9. Временная дискретизация звука

ВРЕМЕННАЯ ДИСКРЕТИЗАЦИЯ
ЗВУКА
Непрерывная звуковая волна
разбивается на отдельные
маленькие временные
участки
Ступеньки
Частота дискретизации
звука – это количество
измерений громкости звука за
одну секунду.
Диапазон частоты дискретизации звука
от 8000 до 48000 измерений за одну секунду т.е. от 8 до
48 Кгц.
При частоте 8 Кгц качество дискретизированного
звукового сигнала соответствует качеству
радиотрансляции, а при частоте 48 Кгц – качеству
звучания аудио-CD.

10. Импульсно-кодовая модуляция(РСМ)

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.

11. Оцифровка звука.

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);

12. Устройства для работы со звуком

УСТРОЙСТВА ДЛЯ РАБОТЫ СО ЗВУКОМ
Звуковая карта явилась одним из наиболее
поздних усовершенствований персонального
компьютера. Она подключается к одному из слотов
материнской платы в виде дочерней карты и
выполняет вычислительные операции, связанные с
обработкой звука, речи, музыки.
Звук воспроизводится через внешние звуковые
колонки, подключаемые к выходу звуковой карты.
Специальный разъем позволяет отправить
звуковой сигнал на внешний усилитель.
Имеется также разъем для подключения
микрофона, что позволяет записывать речь или
музыку и сохранять их на жестком диске для
последующей обработки и использования.

13. Звуковая карта

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.
Сэмпл -двоичные коды, используемые звуковой
картой для представления звука в цифровом виде;
Чем больше сэмплов использовано для
представления сигнала, тем выше качество
записанного сигнала. Число сэмплов, полученных в
секунду, называется частотой сэплирования.

14.

Основным
параметром звуковой карты
является разрядность, определяющая
количество битов, используемых при
преобразовании сигналов из аналоговой в
цифровую форму и наоборот. Чем выше
разрядность, тем меньше погрешность,
связанная с оцифровкой, тем выше
качество звучания.
Минимальным требованием сегодняшнего
дня являются 16 разрядов, а наибольшее
распространение имеют 32-разрядные и
64-разрядные устройства.

15.

Современные
звуковые карты могут
обеспечить кодирование 65536 различных
уровней сигнала или состояний. Для
определения количества бит, необходимых
для кодирования, решим показательное
уравнение: 65536 = 2I, т.к. 65536 = 216, то I
= 16 бит.
Таким образом, современные звуковые
карты обеспечивают 16-битное
кодирование звука. При каждой выборке
значению амплитуды звукового сигнала
присваивается 16-битный код.

16. Размер звукового файла

РАЗМЕР ЗВУКОВОГО ФАЙЛА
I(бит)=f(Гц)*R(бит)*N(каналов)*t(сек)
f – частота дискретизации (Гц);
R – глубина кодирования (разрядность звуковой
карты, Бит);
N – количество каналов (1 – моно, 2 – стерео и др.);
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

17.

Можно
оценить информационный объем
моно-аудио-файла длительностью
звучания 1 секунду при среднем качестве
звука (Разрядность звуковой карты - 16
бит, Частота дискретизации - 24 Кгц).
Для этого количество бит на одну выборку
необходимо умножить на количество
выборок в 1 секунду:
16 бит * 24000 = 384000 бит = 48000 байт ~
47 Кбайт.

18.

Битрейт (англ. bit rate) — буквально, скорость
прохождения битов информации.
Битрейт принято использовать при измерении
эффективной скорости передачи информации по
каналу, то есть скорости передачи «полезной
информации».
В форматах потокового видео и аудио
(например, MPEG и MP3), использующих сжатие c
потерей качества, параметр «битрейт» выражает
степень сжатия потока и, тем самым, определяет
размер канала, для которого сжат поток данных.
Чаще всего битрейт звука и видео измеряют в
килобитах в секунду (англ. kilobit per second, kbps),
реже — в мегабитах в секунду (только для видео).
Существует три режима сжатия потоковых данных:
с постоянным битрейтом (англ. Constant bitrate, CBR)
с переменным битрейтом (англ. Variable bitrate, VBR)
с усреднённым битрейтом (англ. Average bitrate, ABR)

19. Форматы звуковых файлов.

ФОРМАТЫ ЗВУКОВЫХ ФАЙЛОВ.
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)

20.

WAVE (*.wav) – наиболее широко распространенный
звуковой формат. Используется операционной
системой Windows для хранения звуковых файлов. В
его основе лежит формат RIFF (Resource Interchange
File Format), позволяющий сохранять данные в
структурированном виде.
Стандарт MPEG-1 представляет собой, целый
комплект аудио и видео стандартов. Согласно
стандартам ISO ( International Standards Organization),
аудио часть MPEG-1 включает в себя три алгоритма
различных уровней сложности: Layer 1 (уровень 1),
Layer 2 (уровень 2) и Layer 3 (уровень 3). Общая
структура процесса кодирования одинакова для всех
уровней MPEG-1 . Вместе с тем, несмотря на схожесть
уровней в общем подходе к кодированию, уровни
различаются по целевому использованию и
задействованным в кодировании внутренним
механизмам. Для каждого уровня определен свой
формат записи выходного потока данных и,
соответственно, свой алгоритм декодирования.

21.

MPEG Layer 3 (*.мр3) - формат звуковых файлов с
потерями качества, разработанный для сохранения
звуков, отличных от человеческой речи. Используется
для оцифровки музыкальных записей.
Windows Media Audio (*.wma) - формат звуковых
файлов, предложенный фирмой Мiсrosоft. Кодек
Windows Media Audio 8 обеспечивает качество,
аналогичное mрЗ, при размерах файлов втрое меньших.
MIDI (*.mid) - цифровой интерфейс музыкальных
инструментов (Musical Instгument Digital Interface).
MIDI определяет обмен данными между музыкальными
и звуковыми синтезаторами разных производителей.
Интерфейс MIDI представляет собой протокол передачи
музыкальных нот и мелодий. Но данные MIDI не
являются цифровым звуком. Это сокращенная форма
записи музыки в числовой форме. записывается не
реальный звук, а только инструкции для
воспроизведения.

22.

23. Программное обеспечение для редактирования звука

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ
РЕДАКТИРОВАНИЯ ЗВУКА
Наиболее известными в настоящее время
являются следующие программы для
обработки звука: Sony Sound Forge, GoldWave,
Adobe Audition и др.
Основные операции со звуком.
Запись.
Добавление/удаление звуковой дорожки.
Изменение размера звуковой дорожки.
Разбиение звуковой дорожки на фрагменты.
Редактирование звуковой кривой.
Изменение громкости звучания.