Звук. Характеристики и параметры. Квантование, дискретизация.

Звук является одним из самых выразительных средств мультимедиа. Умение использовать звук определяет уровень разработки проекта. Это и смысловая речь, и музыка, и специальные звуковые эффекты.

Звуковая волна – это процесс распространения в атмосфере объёмных деформаций сжатия – разряжения.

Изучением звука занимается акустика. Звуковые волны распространяются со скоростью 330 метров в секунду (1 Мах) над уровнем моря. Уровень звукового давления измеряется в децибелах (дБ). Децибел – это логарифм отношения интенсивности (или звукового давления) данного звука к интенсивности звука на пороге слышимости:

Увеличение мощности в 100 раз приводит к увеличению звука на 20 дицебел. Интенсивность показывает, какая энергия переносится звуковой волной через единицу площади.

Исследования показали, что шум на уровне 45 дБ не беспокоит соседей, 45 - 55 дБ вызывает редкие жалобы, 50 - 60 дБ – частые жалобы соседей, 55 - 65 дБ – вызывают угрозы, а при более 65 дБ начинаются активные действия.

Частота колебаний измеряется в Герцах (Гц). Человек воспринимает звук в интервале 16 – 20000 Гц.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой состоит из двух этапов: дискретизации по времени и квантования по амплитуде. Дискретизация по времени означает, что сигнал представляется рядом своих отсчетов, взятых через равные промежутки времени. Например, когда мы говорим, что частота дискретизации 44,1 кГц, то это значит, что сигнал измеряется 44100 раз в течении секунды.

Основной вопрос на первом этапе преобразования аналогового сигнала в цифровой (оцифровки) состоит в выборе частоты дискретизации аналогового сигнала. Как уже было сказано, чем больше частота - тем точнее соответствует цифровой сигнал аналоговому. Однако, пропорционально увеличению частоты возрастают:

а) интенсивность потока цифровых данных, а пропускные возможности интерфейсов не безграничны, особенно если записывается/воспроизводится одновременно несколько каналов;

б) вычислительная нагрузка на цифровые процессоры эффектов, а их вычислительные возможности также ограничены;

в) объем памяти, необходимой для хранения цифрового сигнала.

Очевидно, что необходим компромисс. От выбора частоты дискретизации зависит частотный диапазон полученного цифрового звука или максимальная частота аналогового сигнала, правильно представленная в цифровом. Согласно известной теореме Котельникова, для того, чтобы аналоговый (непрерывный по времени) сигнал можно было точно восстановить по его отсчетам, частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше максимальной звуковой частоты. Сегодня самыми распространенными частотами дискретизации являются 44,1 кГц и 48 кГц.

Второй этап - это квантование амплитуды дискретных отсчетов, полученных на первом этапе.

Процесс квантования амплитуд отсчетов фактически заключается в измерении их величин по отношению к некоторому опорному источнику напряжения, обычно имеющемуся внутри корпуса микросхемы АЦП, и выражении этих величин в виде чисел, состоящих из конечного числа бит. Причем числа могут быть не только целые, например 16-, 18-, 20-, 24- битные, но и 24- или 32- битные с плавающей запятой или с другой кодировкой (например, в кодах с исправлением ошибок), зависящей от конкретной реализации устройства АЦП. Довольно часто используется все же кодирование результатов измерения амплитуд отсчетов в виде целых чисел.