Как хранится звук в компьютере

Обновлено: 04.07.2024

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.

Практическую обработку сигналов можно разделить на два типа: обработка «на лету» и пост-обработка. Обработка «на лету» подразумевает мгновенное преобразование сигнала (то есть с возможностью осуществлять вывод обработанного сигнала почти одновременно с его вводом). Простой пример – гитарные «примочки» или реверберация во время живого исполнения на сцене. Такая обработка происходит мгновенно, то есть, скажем, исполнитель поет в микрофон, а эффект-процессор преобразует его голос и слушатель слышит уже обработанный вариант голоса. Пост-обработка – это обработка уже записанного сигнала. Скорость такой обработки может быть сильно ниже скорости воспроизведения. Такая обработка преследует те же цели, то есть придание звуку определенного характера, либо изменение характеристик, однако применяется на стадии мастеринга или подготовки звука к тиражированию, когда не требуется спешка, а важнее качество и скрупулезная проработка всех нюансов звучания. Существует множество различных операций над звуком, которые вследствие недостаточной производительности сегодняшних процессоров нельзя реализовать «на лету», поэтому такие преобразования проводят лишь в пост-режиме .

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:

Высота звука определяется частотой колебаний вибрирующего тела.
Г ромкость звука определяется энергией колебательных движений, то есть амплитудой колебаний.
Длительность звука - продолжительность колебаний.
Тембром звука называется окраска звука.

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).

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, при двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней сигнала.

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.

Количество измерений в секунду может лежать в диапазоне от 8000 до 48 000, то есть частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц. При частоте 8 кГц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц — качеству звучания аудио-С D . Следует также учитывать, что возможны как моно-, так и стерео-режимы.

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.

WAV. Самое простое хранилище дискретных данных. Один из типов файлов семейства RIFF. Помимо обычных дискретных значений, битности, количества каналов и значений уровней громкости, в wav может быть указано еще множество параметров, о которых Вы, скорее всего, и не подозревали - это: метки позиций для синхронизации, общее количество дискретных значений, порядок воспроизведения различных частей звукового файла, а также есть место для того, чтобы Вы смогли разместить там текстовую информацию.

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

IFF. Эта технология хранения данных проистекает от Amiga-систем. Interchange File Format. Почти то же, что и RIFF, только имеются некоторые нюансы. Начнем с того, что система Amiga - одна из первых, в которой стали задумываться о программно-сэмплернойэмуляции музыкальных инструментов. В результате, в данном файле звук делится на две части: то, что должно звучать вначале и элемент того, что идет за началом. В результате, звучит начало один раз, за тем повторяется второй кусок столько раз, сколько Вам нужно и нота может звучать бесконечно долго.

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.

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.

VQF. Хорошая альтернатива МР3, разве что менее распространенная. Есть и свои недостатки. Закодировать файл в VQF - процесс гораздо более долгий. К тому же, очень мало бесплатных программ, позволяющих работать с данным форматом файлов, что, собственно, и сказалось на его распространении.

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.

Одной из основных задач информатики является представление данных в виде удобном для хранения и передачи. Эти данные могут быть разного типа – звуковые, текстовые, графические и т.д. В этой статье мы расскажем про кодирование звуковой информации. Из этой статьи Вы узнаете основные принципы и определения. Также после прочтения сможете посчитать объем аудио файла. Читайте!

Основные определения

Для того чтобы разобраться в теме надо знать, что представляет собой звуковая информация (звук).

Звук – это непрерывная аналоговая волна, которая распространяется в окружающей среде. В роли среды может выступать воздух, жидкость, твердое тело, электричество и т.д.

Звук, как непрерывную волну, характеризуют две характеристики – частота и амплитуда.

От амплитуды зависит громкость аудио сигнала . Чем выше амплитуда, тем громкость больше.

Частота же характеризует тональность аудиоинформации . Чем больше частота, тем тональность выше. Человеческий слух улавливает волны от 20 Гц до 20 кГц. 1 Гц равен 1 колебанию аудио сигнала в секунду.

Это интересно Программное обеспечение (ПО) 💾 что это такое простыми словами

Представление и кодирование звуковой информации в компьютере

Для представления и кодирования звука используются специальное оборудование и программы. Рассмотрим весь процесс более подробно.

Аудиоинформация, поступая из окружающей среды (например, по воздуху), преобразуется в электрический сигнал. Для этого используется такое устройство, как микрофон.
После этого звук поступает на АЦП (аналого-цифровой преобразователь), где подвергается оцифровке.
На последнем этапе информация (уже в двоичном виде) кодируется при помощи специальной программы – аудиокодека. На выходе получается файл в специальном формате (например, mp3), который можно хранить, воспроизводить и передавать.

Наибольший интерес представляет процесс оцифровки, также называемым аналого-цифровым преобразованием. В результате него аналоговый сигнал заменяется на цифровой.

Основной принцип аналогово-цифрового преобразования заключается в том, что через равные промежутки времени измеряется амплитуда волны. Также этот процесс называется дискретизация.

Дискретизация – это процесс в результате, которого непрерывная функция представляется в виде дискретной последовательности её значений. Схематично дискретизацию можно представить так:

Дискретизация характеризуется двумя такими величинами, как:

Частота шага по времени;
Шаг квантования.

Первая величина отображает, как часто берутся дискреты и измеряется в Герцах (количество измерений за одну секунду). Частота шага по времени находится по теореме Котельникова.

Шаг квантования характеризуется количеством уровней , до которых округляются величины амплитуды волны.

Количество уровней (ступенек) до которых округляются значения сигнала, зависит от аналого-цифрового преобразователя. На данный момент используются 16, 32 и 64 битные устройства.

Количество бит, затрачиваемое для номеров уровней, называется глубиной кодирования звуковой информации.

Глубина кодирования связано с количеством уровней по формуле:

Где i разрядность АЦП в битах.

Чем чаще берутся дискреты за единицу времени и больше глубина кодирования, тем выше качество звуковых данных на выходе и дороже АЦП.

Расчет объема аудио файла

\[V = 60*1*8000*8=3840000 \ бит \]

Форматы аудио

Форматов для хранения аудио много, однако, все они делятся на две большие группы в зависимости от того, какой из методов сжатия используется – LOSELESS или LOSSY.

LOSELESS – метод сжатия без потерь. Качество звуковой информации остается без изменений, однако за него приходится платить большим объемом компьютерной памяти. Используется для хранения музыки и других данных, где важно качество. Форматы, которые основаны на данном методе сжатия: FLAC, APE, TAC, ALAC и другие. На данный момент зарабатывают все большую популярность в связи с увеличением дискового пространства.
LOSSY – сжатие с потерями. При таком методе файл сохраняются с искажениями относительно оригинала. В основном эти искажения не воспринимаются человеческим слухом, а также не замечаются при плохом аудио оборудовании. LOSSY позволяет существенно сэкономить дисковое пространство. На данный момент этот метод сжатия является доминирующим.

Форматы кодирования использующие алгоритмы LOSSY:

MP3 (MPEG-1,2,2.5) – самый популярный аудио формат. Проигрывается на всех аудио и видео системах, по умолчанию поддерживается всеми операционными системами. Искажения заметны на высокоточной дорогостоящей аппаратуре.
AAC – формат, который разрабатывался и позиционировался, как приемник mp3. Не получил широкого распространения. Преимущества перед mp3: большая гибкость кодирования, возможность использовать до 48 звуковых каналов.
HE-AAC (High-Efficiency Advanced Audio Coding) – используется в цифровом радио и телевиденье.

Заключение

На этой же идее было основано производство целлулоидных грампластинок и механизмов, воспроизводящих записанный на них звук: граммофона и патефона.
В середине XX века появился электрофон — электрический аналог патефона.

Аналоговое представление звука
Звуковая дорожка грампластинки — это пример непрерывной формы записи звука.
Такую форму называют аналоговой. В электрофоне колебания движущейся по звуковой дорожке иглы превращаются в непрерывный электрический сигнал, показанный. Такой график называется осциллограммой. Он может быть получен с помощью прибора, который называется осциллографом.

Электрический сигнал передается на динамик электрофона и превращается в звук.
В XX веке был изобретен магнитофон — устройство для записи звука на магнитную ленту. Здесь также используется аналоговая форма хранения звука. Только теперь звуковая дорожка — это не механическая «бороздка с ямками», а линия с непрерывно изменяющейся намагниченностью. С помощью считывающей магнитной головки создается переменный электрический сигнал, который озвучивается акустической системой.
До недавнего времени вся техника передачи звука была аналоговой. Это и телефонная связь, и радиосвязь. При телефонном разговоре звуковые колебания мембраны микрофона превращаются в переменный электрический сигнал, который передается по электрическим проводам. В принимающем телефоне они превращаются в звук.

Цифровое представление звука
Вам уже знаком основной принцип хранения информации в памяти компьютера — принцип дискретности: любые данные в памяти компьютера хранятся в виде цепочек битов, т. е. последовательностей нулей и единиц. Современные компьютеры умеют работать со звуком. Значит и звук в компьютерной памяти хранится в дискретной форме, т. е. в виде цифр.

Что такое АЦП и ЦАП
Запись звука происходит через микрофон, который создает непрерывный электрический сигнал, а воспроизведение — через динамики, которые звучат также под действием непрерывного электрического сигнала. Как же работа этих устройств совмещается с дискретными данными в памяти компьютера? Происходит преобразование аналоговой формы представления звука в дискретную и обратное преобразование. Первый процесс называется аналого-цифровым преобразованием (АЦП), второй — цифро-аналоговым преобразованием (ЦАП).

Коротко о главном
Непрерывная форма представления звука называется аналоговой формой.
Звук, записанный на фонографе, грампластинке, магнитной ленте, - это «аналоговый звук».
В компьютере звук представляется в дискретной (цифровой) форме.
АЦП - преобразование из аналоговой формы в цифровую (дискретную); ЦАП - преобразование из цифровой формы в аналоговую.

система ввода/вывода звука;
устройства для работы с видеокадрами;
устройства хранения мультимедийной информации.

Система ввода/вывода звука
Микрофон используется для ввода звука в компьютер. Непрерывные электрические колебания, идущие от микрофона, преобразуются в числовую последовательность. Эту работу выполняет устройство, подключаемое к компьютеру, которое называется аудиоадаптером, или звуковой картой. Воспроизведение звука, записанного в компьютерную память, также происходит с помощью аудиоадаптера, преобразующего оцифрованный звук в аналоговый электрический сигнал звуковой частоты, поступающий на акустические колонки или стереонаушники. Из сказанного следует, что звуковая карта совмещает в себе функции ЦАП и АЦП. Рис.3 иллюстрирует описанный процесс.

Рис.3. Преобразование звука при вводе и выводе.

Устройства для работы с видеокадрами
Запись и воспроизведение видеофильмов на компьютере, как и работа со звуком, связаны с преобразованием ЦАП -АЦП. Для этих целей существуют специальные карты ввода/вывода видеоизображения. Оцифрованные и занесенные в компьютерную память видеокадры могут быть подвергнуты редактированию.
Для демонстрации мультимедиа приложения в большой аудитории используют мультимедиа проектор. Такой проектор переносит на большой экран изображение с экрана монитора.

Устройства хранения мультимедийной информации
Звук, видео, графика, объединенные в мультимедиа приложение, требуют больших объемов памяти. Поэтому для их хранения нужны достаточно емкие и, желательно, недорогие носители. Этим требованиям удовлетворяют оптические компакт-диски (CD — Compact Disk). Наряду с большой емкостью (около 700 Мбайт) они имеют надежную защиту от потери данных. В настоящее время широко используются диски CD-ROM и CD-RW. Наибольшей информационной емкостью обладают цифровые видеодиски — DVD. На современном DVD может храниться до 20 Гбайт информации. Этого достаточно для размещения полнометражного кинофильма с высококачественным звуковым сопровождением.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.

Конспект урока "Представление звука в компьютере"

· оцифровка вводимого звукового сигнала;

· качество цифрового звука;

· виды кодирования звуковых файлов.

С начала 90-ых годов персональные компьютеры получили возможность работать со звуковой информацией.

Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и воспроизводить звуковую информацию.

С помощью специальных программных средств (редакторов звукозаписей) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов. Создаются программы распознавания речи и, в результате, появляется возможность управления компьютером при помощи голоса.

А как же представляется звук в компьютере?

Вообще звук – это процесс колебания воздуха или любой другой среды, в которой он распространяется. Звук характеризуется амплитудой (силой) и частотой (количеством колебаний в секунду).

Под звукозаписью понимают процесс сохранения звуковой информации на каком-либо носителе с помощью специальных устройств.

Ввод звука в компьютер производится с помощью звукового устройства, микрофона или радио, выход которого подключается к порту звуковой карты.

Рассмотрим подробнее процесс ввода звука в компьютер.

Звуковые сигналы непрерывны. С помощью микрофона звуковой сигнал превращается в непрерывный электрический сигнал. Но, как вы помните компьютер может работать только с цифровой информацией, поэтому если нам нужно обработать звук на компьютере, то его необходимо дискретизировать – то есть превратить в прерывистую, состоящую из отдельных частей, последовательность нулей и единиц.

Процессом преобразования звука из непрерывной формы в дискретную при записи и из дискретной в непрерывную при воспроизведении занимается звуковая карта или аудио адаптер.

Звуковая карта – это устройство для записи и воспроизведения звука на компьютере. То есть задача звуковой карты — с определённой частотой производить измерения уровня звукового сигнала и результаты измерения записывать в память компьютера. Этот процесс называют оцифровкой звука.

Промежуток времени между двумя измерениями называется периодом измерений — обозначается буквой Т и измеряется в секундах.

Таким образом на качество преобразования звука влияет несколько условий:

• Частота дискретизации, то есть сколько раз в секунду будет измерен исходный сигнал.

• Разрядность дискретизации – количество битов, выделяемых для записи каждого результата измерений.

Результаты таких измерений представляются целыми положительными числами с конечным количеством разрядов. Как мы уже говорили, в таком случае получается дискретное конечное множество значений в ограниченном диапазоне.

Размер этого диапазона зависит от разрядности ячейки — регистра памяти звуковой карты.

То есть обратите внимание, снова работает главная формула информатики:

здесь i — это разрядность регистра. Также число i называют разрядностью дискретизации. Записанные данные сохраняются в файлах специальных звуковых форматов.

Две минуты записи цифрового аудиофайла занимают на диске 5,1 Мб. Частота дискретизации ровна 22050 Герц. Нужно найти разрядность аудиоадаптера.

При воспроизведении звукового файла цифровые данные преобразуются в электрический аналог звука. К звуковой карте подключаются наушники или звуковые колонки. С их помощью электрические колебания преобразуются в механические звуковые волны, которые воспринимают наши уши.

Таким образом, чем больше разрядность и частота дискретизации, тем точнее представляется звук в цифровой форме и тем больше размер файла, хранящего его.

Рассмотрим такой пример: Нужно определить качество звука (то есть какое это качество радиотрансляции или качество аудио-CD) если известно, что объём моноаудиофайла длительностью звучания в 10 секунд равен 940 Кб. Разрядность аудиоадаптера ровна 16 бит.

Рассмотрим ещё один пример. 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). Нужно найти во сколько раз различаются информационные объёмы оцифрованного звука?

Для работы со звуковой информацией на компьютере используются различные программы. Одни из них позволяют записать звук на цифровой носитель, другие — воспроизвести. Существуют программы, которые выполняют более сложную обработку звука. Такие программы называются редакторы звука. Например, можно вырезать фрагмент музыкального произведения или речи, объединить фрагменты, изменить тембр звучания, длительность воспроизведения создавать различные музыкальные эффекты, очищать звук от шумов, согласовывать с изображениями для создания мультимедийных продуктов и так далее.

При хранении оцифрованного звука приходится решать проблему уменьшения объёма звуковых файлов. Существует два способа кодирования звука: кодирования данных без потерь, позволяющего осуществлять стопроцентное восстановление данных из сжатого потока. А также кодирование данных с потерями. Позволяет добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при максимальном сжатии данных. Здесь используются различные алгоритмы, сжимающие оригинальный сигнал путём выкидывания из него слабо слышимых элементов.

Существует множество различных аудио форматов. Наиболее часто используются такие форматы как WAV и MP3. Тип формата обычно определяется расширением файла (то, что идёт после точки в имени файла mp3, wav, ogg, wma)

WAV – один из первых аудио-форматов. Обычно используется для хранения несжатых аудиозаписей, идентичных по качеству звука записям на компакт-дисках. В среднем одна минута звука в формате wav занимает около 10 Мб.

MP3 – наиболее распространённый в мире звуковой формат. MP3, как и многие другие форматы кодирует звук с потерей качества, то есть урезает звук, который не слышится человеческим ухом, тем самым уменьшая размер файла.

На текущий момент mp3 не является лучшим форматом по соотношению размера файла к качеству звучания, но в силу своей распространённости и поддерживаемости большинством устройств, многие хранят свои записи именно в нём.

Звуковая карта – это устройство для записи и воспроизведения звука на компьютере. Задача звуковой карты — с определённой частотой производить измерения уровня звукового сигнала и результаты измерения записывать в память компьютера. Этот процесс называют оцифровкой звука.

Качество оцифрованного звука зависит от:

• Частоты дискретизации, то есть сколько раз в секунду будет измерен исходный сигнал.

• и Разрядности дискретизации – то есть от количества битов, выделяемых для записи каждого результата измерений.

Существует два способа кодирования звука:

• кодирования данных без потерь, здесь осуществляется стопроцентное восстановление данных из сжатого потока;

• кодирование данных с потерями. Это способ позволяет добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при максимальном сжатии данных.

Читайте также: