Теоретический материал по теме

 

Со звуком мы сталкиваемся каждый день. Это одно из понятий, которые достаточно легко определить. Звук – это человеческое восприятие волн давления, распространяющихся в воздушной среде (рис. 4.1) точно так же, как свет – восприятие электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве. Вокруг звучащего объекта воздух расширяется и сжимается. Это расширение и сжатие порождает волны, которые, в конце концов, и достигают нашего уха, создавая переменное давление на барабанные перепонки.

Рис. 4.1 Источник звука и распространение звуковых волн

 

Распространение звуковых волн из одной точки в другую по воздуху является механическим, так как оно происходит за счет передачи молекулами воздуха своей кинетической энергии друг другу. Когда волна распространяется, она теряет свою энергию из-за трения (мы воспринимаем это как снижение уровня громкости) до тех пор, пока, наконец, ее энергия окончательно не поглотится воздухом.

Звуковые волны имеют некоторые интересные свойства. Например, известный эффект Доплера. Все мы знаем разницу между звуком приближающегося и удаляющегося поезда. Данный эффект обусловлен тем, что скорость распространения звуковых волн зависит от скорости движения самого объекта.

В среднем скорость распространения звуковых волн в воздухе при температуре 20° C составляет 1224 километра в час, так что поезд, двигающийся со скоростью 100 километров в час, может в достаточной степени повлиять на распространение звука.

Для наглядного представления звуков обычно используют двухмерные графики (рис. 4.2).

Рис. 4.2 Форма звуковой волны

 

По оси X обычно откладывают время, а по оси Y – амплитуду звука. Чистая нота ЛЯ первой октавы (440Гц) будет выглядеть так, как показано на рисунке 4.3.

Рис. 4.3 Представление ноты ЛЯ первой октавы (400Гц)

 

Как вы можете видеть, волна порождает себя снова и снова и внешне выглядит как функция от времени. Это одно из свойств чистого тона: он может быть описан функцией синуса. Математически это выглядит так:

,

где F – генерируемая нами частота.

Как легко увидеть, из формы волны мы можем получить несколько параметров. Один из них – амплитуда (или, проще говоря, уровень громкости). Ее обычно измеряют в децибелах. Децибелы изменяются по логарифмической шкале: звук в 5дБ в 10 раз сильнее звука в 4дБ. (По такой же шкале измеряют силу землетрясения. При 5 баллах лишь немного подрагивает, а при 7 уже рушатся горы, ведь такое землетрясение в 100 раз сильнее.)

Другая величина, определяемая по графику, – это длина звуковой волны. Длина волны определяется, как время или расстояние между двумя вершинами синусоиды. Легко видеть, что это длительность одного полного цикла звука.

Теперь мы должны поговорить о частотной характеристике восприятия (frequency response). Мы слышим в диапазоне между 20Гц и 15КГц, и восприимчивость обычно сильно падает к 20КГц. Следовательно, любое звуковое сопровождение должно создаваться именно в таких пределах.

Современная звуковая аппаратура может воспроизводить два типа звуков:

· Синтезированный звук

· Оцифрованный звук

Синтезированный звук создается искусственно с помощью электронно-аналоговой или цифровой аппаратуры. К этому типу звука относится в частности MIDI -музыка. MIDI (musical instrument digital interface, цифровой интерфейс музыкальных инструментов) – это стандарт для оцифровки голоса и инструментальной музыки, чтобы они могли быть воспроизведены с помощью компьютера или музыкального синтезатора.

Кроме того, возможно, оцифровывать такие звуки, как человеческая речь или различные эффекты, и, затем, воспроизводить такие фрагменты. Это очень полезная возможность, так как некоторые звуки очень сложно или просто невозможно синтезировать. Человеческий голос богат и сложен. Это следствие того, что кроме основного тона в нем присутствуют и гармоники. Когда человек говорит, то в каждый момент времени звук состоит из многочисленных обертонов основной частоты. Чтобы оцифровать эту информацию, нужно сделать 2 вещи:

· преобразовать информацию в электронный сигнал;

· с постоянной частотой дискретизировать этот сигнал.

Во-первых, мы должны конвертировать звук в форму, которую сможем обрабатывать. Это делается с помощью аналогово-цифрового преобразователя. Он преобразует сигнал в цепочку цифровых импульсов, состоящих из 8 или 16 битов. Фактически это означает, что сигнал преобразуется в последовательность 8-ми или 16-ти битных чисел. Затем мы должны дискретизировать сигнал с постоянной частотой. Например, представим, что мы дискретизируем разговор человека с частотой 8КГц, используя 8 битов на протяжении 10 секунд. Это займет 80000 байт (сохраняем уровень сигнала 8000 раз в секунду в 1 байте на протяжении 10 секунд: 8000*1*10 = 80000 байт = 78,13 Килобайт).

Конечно, можно понизить частоту оцифровки, но в результате мы потеряем часть данных о звуке вследствие так называемого шума квантования. Пусть наш сигнал имеет частоту 10 КГц, и мы дискретизируем его с частотой 6 КГц. В результате мы не сможем точно воспроизвести форму волны. Поэтому, в соответствии со строгим законом Шеннона, мы должны дискретизировать сигнал с частотой в два раза большей, чем его максимальная частота. Только тогда мы сможем затем точно воспроизвести оцифрованный сигнал.

Это значит, что для воспроизведения человеческой речи с частотным диапазоном приблизительно до 20 КГц необходима частота дискретизации не менее 40 КГц. Например, проигрыватели компакт дисков, в основном, работают с частотой 44,1 КГц. На такой скорости звук не теряется. Следует помнить, что чем выше частота дискретизации, тем больше будет размер файла с оцифрованным звуком на диске или ином носителе. Для уменьшения размера звуковых файлов без потери качества звука применяются различные алгоритмы сжатия.

Благодаря развитию DVD, MP3 и игр с непрерывно улучшающимися звуковыми эффектами, хороший звук на компьютере стал вторым камнем преткновения пользователей после компьютерной графики. Для воспроизведения, записи и обработки звука (рис. 4.4) в персональном компьютере должна быть установлена звуковая карта. Кроме того, для вывода звука должны присутствовать наушники или акустическая система.

 

Запись звука

Обработка звука

 

Рис. 4.4 Звуковое сопровождение программ

 

Рассмотрим основные характеристики звуковых карт:

· Наличие выходного усилителя позволяет подключать к звуковой карте пассивные колонки, не имеющие встроенного усилителя и поэтому не требующие собственного источника питания.

· Возможность подключения различных внешних устройств. Как правило, любая звуковая карта имеет гнездо для подключения микрофона, линейный вход, линейный выход, выход на динамики, а также совмещенный разъем для подключения джойстика или миди-клавиатуры. Могут быть дополнительные разъемы для подключения тылового линейного выхода (для получения квадро-звука), цифровые вход и выход, вход и выход миди и другие.

· Аналоговые аудио характеристики звуковой карты отражают качество выходного сигнала. Это частотный диапазон, отношение сигнал/шум, уровень гармонических искажений и другие.

· Качество обработки цифрового сигнала. Все современные звуковые карты умеют обрабатывать звук с частотой дискретизации 44,1kHz по двум каналам (стерео) с разрядностью 16 бит.

· Тип миди-синтезатора определяет качество воспроизведения миди-файлов.

· Наличие эффект-процессора – устройства, которое добавляет в исходный звуковой поток различные эффекты: эхо, вращающийся динамик и другие.

· Поддержка пространственного звучания (3D Sound) находит применение, в основном, в компьютерных играх.

· Поддерживает ли звуковая карта режим полного дуплекса? Этот режим позволяет одновременно воспроизводить звук и записывать его. Например, если Вы при помощи звуковой карты разговариваете через Интернет, Вам потребуется эта возможность.

· Наличие аппаратной акселерации звука для стандартов Microsoft DirectSound и DirectSound3D важно для приложений, "выдающих" большой поток звуковой информации в этих стандартах.

Для примера рассмотрим в таблице 4.1 основные характеристики двух звуковых карт.

Таблица 4.1

Сравнение характеристик двух звуковых карт

Характеристика	Audiovision ESS 1869F 3D Sound	Creative SoundBlaster Live!
Частотные характеристики	цифровой звук 8 и 16 бит с частотой квантования от 4KHz до 44,1KHz	частотный диапазон 10Hz - 44kHz, сигнал/шум 96dB, уровень шума -115dB
Полный дуплекс	в наличии	в наличии
Поддержка 3D звука	реализована	аппаратное ускорения для стандартов DirectSound и DirectSound3D
Миди-синтезатор	20-голосов	64-голоса
Эффект-процессор	цифровой стереофонический микшер	полноценный эффект-процессор: различные пространственные эффекты
Наличие разъемов	линейный вход, микрофон, линейный выход, выход на динамики, MIDI/порт джойстика	линейный вход, микрофон, линейный выход (фронтальный и тыловой), CD Audio вход, порт джойстика, цифровой вход CD, MIDI вход и выход, цифровой выход

 

Даже невооруженным глазом видно, что вторая звуковая карта по техническим характеристикам (в частности, по количеству голосов, разъемов и так далее) превосходит первую.

Рассмотрим следующее описание звуковой карты:

Аудиокарта Creative "X-Fi Xtreme Audio" SB1040 (PCI-E x1)

Спецификация:

1. Производитель: Creative

2. Маркировка: X-Fi Xtreme Audio SB1040

3. Слот для установки: PCI-E x

Для получения более подробной информации необходимо обратиться к инструкции либо ознакомиться с описанием устройства на сайте производителя или продавца.

Говоря о звуковых картах, нельзя не остановиться на акустических системах – то есть на тех устройствах, из которых непосредственно издается звук. Дело в том, что по большинству технических характеристик современные модели качественных звуковых карт практически сравнялись между собой в процессе своей эволюции. Именно поэтому в последние годы основной упор производителей был сделан на модернизацию колонок и наращивание их количества в одной системе.

Изначально к любой звуковой карте можно было подключить только 2 колонки – правую и левую (или наушники). Со временем к ним добавился сабвуфер – динамик, отвечающий исключительно за вывод низкочастотных звуков. Такое «разделение труда» позволило получать звук более высокого качества. Получившаяся таким образом система из 2-ух колонок и 1-го сабвуфера получила краткое название «2.1», но на этом эволюция не остановилась.

Вскоре появились системы «4» и «4.1». В первых присутствовало 4 колонки – 2 устанавливались, как и раньше, слева и справа перед пользователем (например, по бокам монитора), а 2 другие – слева и справа позади него. Такая система была удобна для использования в компьютерных играх, а также при просмотре фильмов – пользователю стало проще позиционировать объекты в пространстве на основании звука. Системы «4.1» отличаются от систем «4» наличием отдельного сабвуфера.

В настоящее время число колонок в одной системе может быть 5, 6, 7 и так далее, что определяет типы таких систем: «5.1» (рис. 4.5), «6.1», «7.1».

Рис. 4.5 Акустическая система 5.1 Edifier "S550"

 

Следует отметить, что для использования и получения выгоды от систем любого типа, необходимо соблюдение двух условий:

1. Установленная звуковая карта должна уметь обращаться с системой.

2. Используемая компьютерная программа или кинофильм должны воспроизводить звук в требуемом формате.

Основные существующие типы акустических систем вместе с рекомендациями по позиционированию колонок и сабвуферов изображены на рисунке 4.6.

 

 

Рис. 4.6 Основные типы акустических систем