Какой объем памяти требуется для хранения звуковой информации

Обновлено: 07.07.2024

9. Какой объем памяти требуется для хранения цифрового аудиофайла с записью звука высокого качества при условии, что время звучания составляет 3 минуты? ([1], стр. 157, №92)

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? ([1], стр. 157, №93)

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

11. Оцените информационный объем высокачественного стереоаудиофайла длительностью звучания 1 минута, если "глубина" кодирования 16 бит, а частота дискретизации 48 кГц. ([2], стр. 74, пример 2.54)

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: 16 бит х 32 000 = 512000 бит = 64000 байт = 62,5 Кбайт/с 2) Время звучания моноаудиофайла объемом 700 Кбайт равно: 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)? ([4], стр. 34, упражнение №34)

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.

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.

Решение:

а). 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: 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

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:


Click here to read about
Mrs. Smith

More Stuff

Current Poll


Template tips

22. Кодирование звука.

Подходы к кодированию звука, частота и амплитуда колебаний звуковой волны, частота дискретизации звука, кодирование уровней амплитуды колебаний звука, глубина кодирования звука, объем памяти для хранения звука

Звуковую информацию можно представить разными способами. Например, музыку можно записать с помощью нот. Так же как числовую, текстовую и графическую информацию, звук можно кодировать с помощью чисел. Для этого используются специальные приемы и правила. Кодирование звука двоичными числами дает возможность автоматизировать хранение, обработку и передачу звуковых данных с помощью современных компьютеров. Также кодирование звука используется при работе практически любой современной бытовой аудиоаппаратуры.
Как и графика, звук по своей природе является непрерывным. Поэтому для кодирования звука непрерывный звуковой сигнал необходимо разделить на отдельные элементы. Для понимания правил преобразования непрерывного звукового сигнала в дискретный необходимо опираться на знания физической природы звука.

Рассмотрим в качестве примера процесс распространения звука в воздухе. Во время разговора голосовые связки человека заставляют колебаться частицы воздуха. В воздухе возникает волна, аналогичная той, что появляется в воде, когда дует ветер. Колебания частиц воздуха, в свою очередь, заставляют колебаться перепонку уха человека — человек воспринимает звук. Кроме голосовых связок, волновые колебания частиц воздуха, воспринимаемые как звук, могут быть вызваны ударами по барабану, колебаниями гитарных струн, перемещением ветром опавших листьев и многим другим. Волновые колебания частиц воздуха, а значит, и звуковые волны могут воспринимать большинство живы х организмов, обитающих на Земле.
Основными параметрами звуковой волны явл яются частота и амплитуда колебаний (рис. 47).


Частота колебаний звуковой волны — это количество колебаний частиц среды в единицу времени. Чем больше частота звуковых колебаний, тем выше тон звука. Например, за один и тот же промежуток времени тонкая гитарная струна по сравнению с толстой струной колеблется большее количество раз. Поэтому тонкая струна издает высокий звук, а толстая — низкий звук. Количество колебаний в секунду — частота колебаний измеряется в герцах (Гц). Одно колебание в секунду соответствует 1 Гц. Диапазон частот звуковых колебаний, воспринимаемых человеком, составляет от 16 Гц до 20 кГц. Звук очень низкой частоты (инфразвук), который издают слоны, или звук очень высокой частоты (ультразвук), который издают летучие мыши, человек не слышит.
Амплитуда колебаний звуковой волны определяет размах колебаний, громкость звука. Чем больше амплитуда звуковых колебаний, чем интенсивнее их сила, тем громче звук. Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Человек слышит звуки громкостью от 0 (порог слышимости) до 140 дБ (болевой порог). Человек с нормальным слухом может услышать писк комара, который издает звук малой громкости. Шум двигателей реактивных самолетов или звук большой громкости из наушников плеера оказывают негативное воздействие на слух человека.
Преобразовать непрерывный звуковой сигнал в дискретный позволяет дискретизация по времени, которая заключается в разделении непрерывной волны на равные временные участки. Для каждого такого временного участка измеряется величина амплитуды колебания звуковой волны. Количество измерений в единицу времени называется частотой дискретизации звука.
Частота дискретизации звука, как и частота колебаний звуковой волны, измеряется в герцах (Гц). В данном случае 1 Гц — это 1 измерение амплитуды в 1 с.

Частота дискретизации звука — количество измерений амплитуды колебаний звуковой волны в единицу времени. Частота дискретизации звука измеряется в герцах.


Каждой измеренной величине амплитуды можно поставить в соответствие двоичное число и тем самым представить звук в виде последовательности нулей и единиц. Зная, сколько различных уровней амплитуды колебаний звука необходимо зафиксировать, можно вычислить количество двоичных разрядов, требуемых для кодирования каждого уровня при его измерении, или, говоря другими словами, глубину кодирования звука.
Глубина кодирования звука — количество двоичных разрядов, используемых для кодирования уровня амплитуды колебаний звука при каждом измерении.
Глубина кодирования звука измеряется в битах.

Например, для хранения любого из восьми уровней амплитуды колебаний звука требуется 3 бита памяти (2' = 8, / = 3 бит), а для хранения любого из 256 уровней требуется 8 бит памяти (2' = 256, / = 8 бит). В первом случае глубина кодирования звука равна 3 битам, а во втором случае — 8 битам, что составляет 1 байт.

■ ПРИМЕР 1. Закодировать звуковой фрагмент (рис. 48, а), звучащий 1 с, если частота дискретизации звука равна 5 Гц, а глубина кодирования звука равна 2 битам.

* Решение. Поместим фрагмент звуковой волны в систему координат, в которой ось абсцисс соответствует времени, а ось ординат — амплитуде колебаний звуковой волны (рис. 48, б). Поскольку частота дискретизации звука равна 5 Гц (5 измерений параметров звука за 1 с), то отложим по оси абсцисс 5 одинаковых временных отрезков, которые в совокупности составляют 1 с (рис. 48, в). Используя для кодирования два двоичных разряда (глубина кодирования звука равна 2 битам), можно закодировать 4 различных уровня звука (22 = 4), обозначаемые как 00, 01, 10, И. Отложим по оси ординат три одинаковых отрезка и поставим в соответствие каждому из четырех уровней звука двоичный код, начиная с 00 и заканчивая 11. Непрерывную зависимость амплитуды колебаний звуковой волны от времени заменяем дискретной последовательностью уровней звука. Следует отметить, что ступеньки, каждой из которых соответствует один из четырех двоичных кодов, лишь приближенно заменяют гладкую кривую, отражающую колебание звуковой волны (см. рис. 48).


Представим результаты пяти измерений в виде таблицы 38.
Таблица 38

t0 t1 t2 t3 t4
01 10 11 10 00

Последовательность нулей и единиц, составленная из цифр второй строки этой таблицы, будет являться двоичным кодом данного звукового фрагмента.

Ответ. Двоичный код звукового фрагмента 0110111000.
Чем больше глубина кодирования и частота дискретизации, тем лучше запись звука будет передавать все нюансы реального звука. Запись и воспроизведение звука может осуществляться с использованием одного (монозапись), двух (стереозапись) и более каналов звучания. Однако чем качественнее запись звука отражает реальный звук, тем больший объем памяти необходим для хранения звуковых данных.
Объем памяти, необходимый для хранения звука, можно найти, зная глубину кодирования звука, частоту дискретизации звука, длительность звучания и количество каналов звучания.

где V— объем памяти для хранения звука,
К — количество уровней звука,
Ь — глубина кодирования звука, d — частота дискретизации звука, t — длительность звучания, s — количество каналов звучания.
■ ПРИМЕР 2. Определите, какой объем памяти потребуется для хранения стереозаписи звука продолжительностью 10 с, если для кодирования использовано 256 уровней звука, а частота дискретизации равна 11 кГц.
Решение.
1) Найдем глубину кодирования звука.
Дано. t = 10 с d = 11 кГц К = 256
s = 2
К— 2Ь,
256 = 2Ь,
28 = 2* b — 8 (бит).
Найти.
К=?
2) Найдем объем памяти, требуемой для хранения стереозаписи звука.
184 / Главе S. / Представление информации. Кодирование информации
d = 11 (кГц) = 11 ООО (Гц),
V = b'd* t% s = 8* 11 ООО • 10 • 2 =1 760 ООО (бит) = 220 ООО (байт)

Ответ. Для хранения стереозаписи звука потребуется примерно 215 Кбайтов памяти.

Оптимальные параметры для кодирования звука выбирают исходя из характера звука, требуемого качества воспроизведения и объема памяти, отводимого для хранения звукозаписи.
Установлено, что частота дискретизации звука должна быть как минимум вдвое больше частоты колебаний кодируемой звуковой волны. Поскольку человек может воспринимать частоту колебаний звука до 20 кГц, то частота дискретизации звука обычно находится в пределах от 8 до 48 кГц. В мобильных телефонах и цифровых автоответчиках для кодирования голоса человека (в этом случае частота колебаний звука не превышает 3 кГц) используется низкая частота дискретизации 8—11 кГц. При кодировании музыки используется высокая частота дискретизации 44,1 кГц, что обеспечивает высокое качество звукозаписи.
При глубине кодирования звука 8 бит количество различных уровней сигнала равно 256, а при глубине кодирования звука 16 бит количество различных уровней сигнала равно 65 536, что соответствует низкому и высокому качеству звукозаписи. Стандарт записи звука на компакт-дисках соответствует частоте дискретизации звука 44,1 кГц и глубине кодирования звука 16 бит для каждого канала звучания, что позволяет воспроизвести звук высокого качества.
Таким образом, кодирование звуковой информации основано на сопоставлении непрерывного звука дискретным числам — записи звука в виде двоичного кода. Так же как и в случае с символами, числами и изображениями, приведение звука к единой форме позволяет автоматизировать процессы хранения, обработки и передачи информации.

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

Цель-мотивация. Подготовка к ЕГЭ.

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.

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 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 [1]

4. Решение задач

Учебник [1], показ решения на презентации.

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

Запись условия

1536000 бит/8 =192000 байт/1024 = 187,5 Кбайт

Задача (самостоятельно). Учебник [1], 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.

Запись условия

10 × 8 × 22 050 бит/8 = 220500 байт/1024 = 215,332/1024 Кбайт = 0,21 Мбайт

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.

Запись условия

(120 × 16 × 44 010) бит = 84672000 бит/8= 10584000байт/1024 = 10335,9375 Кбайт/1024 = 10,09 Мбайт

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?

Запись условия

I × H= 2,6 Мб/1 мин. = 2,6×1024×1024×8 бит/ 60 сек=21810380,8/60=

Если I=8 ,бит, то H=44,1 кГц.

Если I=16 бит, то H=22,05 кГц.

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?

№ 92. 124,8 секунды.

№ 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.

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.

Читайте также: