Работа со звуковой системой ПК. Вычисление информационного объема закодированного звука

Практическое занятие

Работа со звуковой системой ПК. Вычисление информационного объема закодированного звука

Цель работы: Ознакомиться с компьютерными акустическими системами. Научиться находить информационный объем закодированного звука.

В результате выполнения практической работы обучающийся должен Уметь:

- выбирать рациональную конфигурацию оборудования в соответствии с решаемой задачей; - определять совместимость аппаратного и программного обеспечения; - осуществлять модернизацию аппаратных средств.

В результате выполнения практической работы обучающийся должен Знать:

-основные конструктивные элементы средств вычислительной техники; -периферийные устройства вычислительной техники; -нестандартные периферийные устройства.

Теоретическая часть

Звуковое оборудование - обязательный элемент каждого аудиовизуального комплекса. Система звукового сопровождения обязательно включает в себя источники звука и акустические системы. В ее состав также может входить оборудование для усиления, микширования и обработки звуковых сигналов. К системе звукового сопровождения могут быть отнесены элементы систем конференцсвязи, конгресс-систем, системы протоколирования.

Источниками аудиоинформации могут служить:

- аппараты воспроизведения (DVD-проигрыватели, TV-тюнеры и т. д.); - компьютерная техника (ноутбуки, медиа серверы и т. д.); - проводные и радиомикрофоны, микрофонные пульты конгресс-систем, оборудование для синхронного перевода; - системы аудио - и видеоконференцсвязи; - устройства протоколирования.

Для корректной записи и воспроизведения звука в состав системы звукового сопровождения входят устройства для усиления сигналов, микширования и обработки.

Цифровая аудио платформа Представляет собой небольшой модуль, который заменяет целый шкаф с аналогичными аналоговыми устройствами, избавляет от сложной системы коммутации, имеет удобный интерфейс настройки и управления, и значительно дешевле аналогового решения.

Тюнер - Персональное абонентское устройство, служащее для выделения и демодуляции сигнала. ТВ-тюнер - род тюнера, предназначенный для приема телевизионного сигнала в различных форматах вещания с показом на компьютере или просто на отдельном мониторе.

По конструктивному исполнению ТВ-тюнеры бывают Внешние (подключаются к компьютеру либо через USB, либо между компьютером и дисплеем через видеокабель) и Внутренние (вставляются в слот ISA, или PCI, или PCI-Express).

Звуковая карта - Дополнительное оборудование ПК, позволяющее обрабатывать звук. В современных компьютерах звуковые карты представлены интегрированного в материнскую плату кодека.

Звуковые файлы - Файлы, содержащие цифровую запись аудиоданных. Существует два основных типа звуковых файлов: с Оцифрованным звуком и Нотной записью. Звуковые файлы представляют собой составную часть мультимедиа.

Существуют звуковые файлы различных форматов:

MIDI -

WAV -

MP3

APE

Файлы с оцифрованным звуком - Звуковые файлы, в которых исходная непрерывная (аналоговая) форма сигнала записана в виде последовательности коротких дискретных значений амплитуд звукового сигнала, измеренных через одинаковые промежутки времени и имеющих между собой весьма малый интервал. Процесс замены непрерывного сигнала последовательностью его значений называют Дискретизацией, А такую форму записи - Импульсно-кодовой. Файлы с оцифрованным звуком бывают двух видов: с заголовком и без заголовка.

Файлы с нотной записью - звуковые файлы, которые содержат последовательность команд, сообщающих, какую ноту, каким инструментом и как долго нужно воспроизводить в тот или иной момент времени.

Рассмотрим Основные стандарты многоканального звука.

DolbyStereo - Стандарт на технологию цифровой записи звукового сопровождения фильмов для кинотеатров, позволяющий кодировать на двух звуковых дорожках кинопленки четыре канала: левый, центральный, правый и тыловой. Считанный с кинопленки сигнал преобразуется декодером в четырехканальный, дающий эффект окружающего звука. Без декодера звук воспроизводиться как обычный двухканальный стерео.

DolbySurround (DSS) - система, позволяющая из закодированного двухканального сигнала выделять три звуковых канала: левый, правый и тыловой. Считанный с кинопленки сигнал декодируется в трехканальный. При отсутствии декодера воспроизводится обычный двухканальный стереозвук.

DolbyPro-Logic (DPL) - система, позволяющая из закодированного двухканального сигнала выделять четыре звуковых канала: левый, центральный, правый и тыловой. Система использует дополнительный громкоговоритель центрального канала, который "привязывает" диалоги к экрану, а эффект окружающего звучания воспроизводится через тыловые каналы.

DolbyDigital

DolbyDigital -- это стандарт для декодирования многоканального звука, в котором звук представляется шестью отдельными каналами: пятью каналами окружающего звука (левым, правым, центральным и двумя фронтальными) и одним низкочастотным каналом (сабвуфером). Представление звука изначально было цифровым, а частотный диапазон был расширен с 20 Гц до 20 кГц (на данный момент частотный диапазон составляет от 3 Гц до 20 кГц для пяти каналов и от 3 Гц до 120 кГц для канала сабвуфера). Данный стандарт является сегодня одним из самых распространенных.

DolbiDigital (AC-3) - самый популярный на сегодняшний день формат многоканального звука, принятый в качестве звукового стандарта для видеодисков формата DVD. Этот полностью цифровой формат содержит 6 независимых каналов звука, из них 5 полно диапазонных (30 - 20 000 Гц): три фронтальных (левый, центральный и правый) и два тыловых, плюс один низкочастотный (20-120 Гц) канал сабвуфера. Звучание фонограмм, записанное в формате DolbiDigital, характеризуется очень высоким качеством звука - полностью отсутствует шум носителя (как это явно присутствует, например, в аудио кассетах).

DolbySurround AC3 -- упрощенный вариант стандарта DolbyDigital, предназначенный для систем домашних кинотеатров. От стандарта DolbyDigital данный стандарт отличается сниженными скоростями потока данных.

DTS (DigitalTheaterSystem) представляет собой стандарт шестиканального звука, только с гораздо более высоким качеством. Коэффициент сжатия составляет здесь 4:1, а скорость потока данных (битрейт) -- 882 Кбит/с (алгоритм apt-X100). Благодаря меньшей степени сжатия и более совершенному алгоритму, качество звука, закодированного в DTS, гораздо выше, чем у DolbyDigital, однако последний стандарт более распространен в связи с широким распространением DVD.

DolbyProLogic II, представляет собой дальнейшее развитие стандартов DolbyStereoProLogic, позволяет декодеру раскладывать обычный стереозвук на шесть каналов.

DolbyProLogicIIx -- это следующий шаг в развитии стандарта DolbyProLogic II. В данном случае подразумевается возможность разложения стереозвука на семь или на восемь каналов. Возможны три режима декодирования:

* фильм (Movie) -- дублирование центрального канала или тыловых каналов; * игра (Play) -- сигнал всего лишь дополнительно направляется на "новые каналы"; * музыка (Music).

Ни в одном из режимов не используется информация с фронтальных каналов (только с центрального и тыловых).

DolbyDigital EX - Вариант стандарта DolbyProLogicIIx, предназначенный для домашних кинотеатров.

DolbyDigitalSurround EX -- это относительно новый, расширенный до 7 каналов вариант стандарта DolbyDigitalSurround. В данном стандарте имеется еще один задний канал, который дублирует существующий центральный канал, если исходный звук записан в формате 5+1. Если же исходный файл представлен в формате 6+1, то дополнительный канал становится еще одним полноценным каналом окружающего звука.

DTS-ES -- это полноценный аналог стандарта DolbyDigital EX, но от компании DTS. Данный стандарт также позволяет кодировать звук в форматах 6+1 и 7+1 и раскладывать звук формата 5+1, закодированный в DTS, соответственно на семь или восемь каналов.

Звук - Это волновые колебания в упругой среде. Звук характеризуется Частотой (измеряется в герцах, 1 Гц=1колебание в секунду, человек воспринимает звуки в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц) и Амплитудой (сила звука, звуковое давление измеряется в Паскалях, воспринимаемая человеком громкость звука - от 20мкПа до 200 Па).

Временная дискретизация - Это процесс, при котором звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого устанавливается определенная амплитуда.

Частота дискретизации Показывает, сколько раз в секунду измеряется моментальное значение сигнала. Если сигнал оцифровывается при частоте дискретизации 44 кГц, то измерения производятся 44 000 раз в секунду.

Количество уровней громкости выражается Глубиной звука - количеством бито, используемых для кодирования одного уровня.

Битрейт - скорость передачи данных, задаваемая при кодировании. Может изменяться от 8 до 320Кбит/с. Чем больше битов информации записано в секунду, тем с меньшими потерями будет воспроизведен исходный материал - тем больше места в памяти компьютера занимает MP3 - файл. Уменьшение битрейта ведет к ухудшению качества звучания и уменьшению информационного объема звукового файла.

1 кГц=1000 Гц 1 мГц=1000000 Гц

Количество уровней громкости

K=2I,

Где i - глубина звука (бит).

Рассмотрим пример расчета информационного объема закодированного звука моно звукового файла.

Рассчитать информационный объем закодированного звука звучанием речи в 1 секунду, с частотой дискретизации 5 Гц и глубиной звука 4 бит.

Решение.

Для расчета информационного объема закодированного звука будем использовать следующую формулу:

V=DiT,

Где D - частота дискретизации, Гц; i - глубина звука, бит; T - время звучания, с.

Получаем: звук аудиоинформация компьютер закодированный

V=5Гц*4бит*1с=20бит

Рассмотрим пример расчета информационного объема закодированного звука стерео файла.

V=DiNT,

Где D - частота дискретизации, Гц; i - глубина звука, бит; N - число каналов (1 - моно, 2 - стерео);T - время звучания, с.

Практическая часть

1. Перерисуйте структуру звуковой системы ПК в тетрадь и отметьте на ней основные модули. 2. Заполните таблицу, описав модули звуковой системы ПК.

Модуль звуковой системы	Описание, основные характеристики
Записи и воспроизведения	A) *Частота дискретизации. Определяет максимальную частоту записываемого или воспроизводимого сигнала. Человеческий голос - 6-8 КГц. Музыка невысокого качества - 20-25 КГц. Высококачественное звучание - не менее 44 КГц, в идеале 48 КГц; B) Тип и разрядность АЦП и ЦАП. Определяет разрядность представления цифрового сигнала (8, 16, 18, 20 или 24 бит), динамический диапазон (в децибелах от 90 дБА) и уровень шумов квантования. Разрядность АЦП и ЦАП от 16 и больше бит позволяет обеспечить студийное качественное звучание; C) Способ кодирования аудиоданных, т. е. точность воспроизведения исходного звука, уровень искажения, качество сжатия звукового сигнала; D) Возможность работы в режиме FullDuplex. Т. е. возможность одновременной записи и воспроизведения звукового сигнала. Существует три режима передачи данных по какому либо каналу определяющие направление передачи сигнала: симплекс (и), полу дуплекс (иили з) и дуплекс (полный дуплекс FullDuplex*).
Синтезатора	A) *Метод синтеза звука. Определяет не только качество звука, но и ее состав. Звуковая система ПК может содержать несколько синтезаторов. Выделяют 2 метода синтеза звука: -FM-синтез(FrequencyModulationSynthesis - частотная модуляция) - синтезатор используется во всех недорогих звуковых картах. Обеспечивает приемлемое качество звука. Полифония составляет 20 голосов. Звуковые эффекты не реализуются. -WT-синтез(WaveTableSynthesis - таблица синтеза звуковых волн). Звук генерируется с высоким качеством, так как для его генерации используется специальная таблица, в которой содержатся предварительно оцифрованные образцы звучания реальных музыкальных инструментов и других звуков. Полифония - от 20 и больше голосов? B) Объем памяти. Зависит от модели звуковой карты. Используется для хранения патчей. Может быть изменен за счет установки дополнительных модулей памяти (RAMили ROM). Это позволяет загружать дополнительные банки инструментов, что может значительно изменить звучание MIDI-файлов, как в лучшую, так и в худшую сторону. C) Возможность аппаратной обработки сигнала для создания звуковых эффектов. Для создания звуковых эффектов используется специальный Эффект-процессор. В зависимости от типа эффект-процессора можно осуществлять обработку всех звуковых каналов синтезатора одновременно, обработку отдельных MIDI-каналов или звучание отдельных голосов синтезатора (Общие, поканальные и голосовые эффект-процессоры). Данный эффект-процессор позволяет снять с центрального процессора большую нагрузку по обработке звука. D) Полифония*- максимальное количество одновременно воспроизводимых элементарных звуков. Для каждого типа звуковой карты значение полифонии может быть свое. (от 20 и больше голосов).
Интерфейсов	Обеспечивает обмен данными между звуковой системой и другими устройствами - как внешними, так и внутренними. Включает в себя следующие типы интерфейсов: A) *Системный интерфейс. Подключение звуковой карты может осуществляться через шину ISA(8-и разрядная, пропускная способность 2-6 Мбит/с) и через шину PCI(16-ти разрядная, пропускная способность от 100 до 260 Мбит/с). Звуковые карты с интерфейсом ISAна сегодняшний день уже устарели, так как они не обеспечивают реализации нестандартных функций обработки и передачи звуковых данных и имеют низкую пропускную способность. Шина PCIимеет достаточно широкую полосу пропускания и обеспечивает параллельную передачу потока звуковых данных. B) MIDI-интерфейс.* (MusicalInstrumentDigitalInterface) - это цифровой интерфейс музыкальных инструментов. Позволяет MIDI-инструментам подключаться друг к другу, а также обмениваться информацией и работать совместно. На самой звуковой карте MIDI-порты отсутствуют, поэтому подключение к ПК MIDI-инструментов и устройств осуществляется с помощью специального MIDI-адаптера. C) *Интерфейс для подключения дочерних карт.* Звуковая система ПК может иметь специальный интерфейс для подключения дочерних плат. Путем установки дочерней платы можно увеличивать полифонию звуковой системы и качественно изменять метод синтеза. Например, если раньше применялся только FM-синтез, то можно добавить WT-синтез. Дочерняя плата обычно устанавливается в специальный 26-контактный разъем расположенный на звуковой карте. D) *Интерфейс для подключения приводов CD-ROM. Входит в состав звуковой карты. Через специальный разъем на звуковой карте и специальный выход на приводе CD-ROMа они соединяются с помощью гибкого кабеля. Совсем недавно - это был единственный способ подключения привода CD-ROMк компьютеру.*
Микшера	Модуль микшера звуковой карты производит: A) *Коммутацию(подключение/отключение) источников и приемников звуковых сигналов; B) РегулированиеУровня входных и выходных звуковых сигналов; Микширование*(смешивание) нескольких звуковых сигналов и регулирование уровня результирующего сигнала. Управление микшером осуществляется программно средствами Windows или с помощью специальных программ-микшеров. Включает в себя наушники и колонки. Они непосредственно преобразуют звуковой электрический сигнал в акустические колебания и, тем самым, в значительной степени влияют на качество звука.
Акустической системы	По количеству каналов звучания акустическая система может быть: -Монофоническая (1 канал); -Стереофоническая (2 канальная); -DolbyDigital(от 6 и более каналов).

3. Решите задачи по вариантам. 4. Ответьте на контрольные вопросы.

Вариант 1

1. Рассчитайте информационный объем закодированного звука, если записано звучание 3 секунд речи с частотой дискретизации 5 Гц и глубиной звука 4 бит. 2. Оцените объем моно аудиофайла длительностью звучания 10с при частоте дискретизации 22,05 кГц и разрешении 8 бит. Ответ запишите в байтах, килобайтах, мегабайтах.

Вариант 2

1. Рассчитайте информационный объем закодированного стерео звука, если записано звучание 10 с с частотой дискретизации 20 Гц и глубиной звука 5 бит. 2. Определите объем памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет 2 минуты при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрешении 16 бит.

Вариант 3

1. Рассчитайте информационный объем закодированного звука, если записано звучание 7 с речи с частотой дискретизации 5 Гц и глубиной звука 4 бит. 2. Объем звукового файла 5,25 Мб, разрядность звуковой платы - 16. Какова длительность звучания этого файла, записанного с частотой дискретизации 22,05 кГц?

Вариант 4

1. Рассчитайте информационный объем закодированного стерео звука, если записано звучание 15 с с частотой дискретизации 15 Гц и глубиной звука 4 бит. 2. Одна минута записи цифрового аудиофайла занимает на диске 1,3 Мб, разрядность звуковой платы - 8. С какой частотой дискретизации записан звук?

Вариант 5

1. Рассчитайте информационный объем закодированного звука, если записано звучание 3 с речи с частотой дискретизации 5 Гц и глубиной звука 3 бит. 2. Рассчитайте время звучания звукового файла объемом 3.5 Мбайт, содержащего стерео запись с частотой дискретизации 44 100 Гц и разрядностью кода 16 бит.

Вариант 6

Олег Вариант 7

Вариант 8

1. Определить объем памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет две минуты при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрешении 16 бит. 2. Рассчитайте информационный объем закодированного звука, если записано звучание 12 секунд речи с частотой дискретизации 5 Гц и глубиной звука 4 бит.

Вариант 9

1. Рассчитайте информационный объем закодированного стерео-звука, если записано звучание 30 секунд с частотой дискретизации 15 Гц и глубиной звука15 бит. 2. Две минуты записи цифрового аудиофайла занимают на диске 5,1 Мб. Частота дискретизации -- 22050 Гц. Какова разрядность аудио адаптера.

Вариант 10

1. Рассчитайте информационный объем закодированного звука, если записано звучание 17 секунд речи с частотой дискретизации 16 Гц и глубиной звука 14 бит. 2. Оцените информационный объем моно аудиофайла длительностью звучания 1 мин., если глубина кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно: 3. 16 бит и 8 кГц.

Вариант 11

1. Рассчитайте информационный объем закодированного стереозвука, если записано звучание 150 секунд с частотой дискретизации 20 Гц и глубиной звука 4 бит. 2. Оцените информационный объем высокачественного стерео аудиофайла длительностью звучания 1 минута, если глубина кодирования 16 бит, а частота дискретизации 48 кГц.

Вариант 12

1. Рассчитайте информационный объем закодированного звука, если записано звучание 13 с речи с частотой дискретизации 8 Гц и глубиной звука 12 бит. 2. Рассчитайте время звучания моно аудиофайла, если при 16-битном кодировании и частоте дискретизации 32 кГц его объем равен 6300 Кбайт.

Вариант 13

1. Рассчитайте информационный объем закодированного стереозвука, если записано звучание 25 секунд с частотой дискретизации 25 Гц и глубиной звука 16 бит. 2. Рассчитайте информационный объем закодированного звука, если записано 55 секунд речи с частотой дискретизации 15 Гц и глубиной звука 5 бит.

Вариант 14

1. Чему равно время звучания при 16-битном кодировании, частоте дискретизации 32 кГц и объеме моно аудиофайла 700 Кбайт. 2. Рассчитайте информационный объем закодированного стереозвука, если записано звучание 120 секунд с частотой дискретизации 15 Гц и глубиной звука 23 бит.

Вариант 15

1. Рассчитать объем звукового фрагмента длительностью звучания 2 секунды при частоте дискретизации 20 кГц и разрешении 16 бит. 2. Рассчитайте информационный объем закодированного звука, если записано звучание 38 с речи с частотой дискретизации 15 Гц и глубиной звука 3 бит.

Вариант 16

1. Рассчитайте информационный объем закодированного стереозвука, если записано звучание 100 секунд с частотой дискретизации 27 Гц и глубиной звука 15 бит. 2. Рассчитайте объем монофонического аудиофайла длительностью 10 с при 16-битном кодировании и частоте дискретизации 44,1 к Гц.

Вариант 17

1. Рассчитайте информационный объем закодированного звука, если записано звучание 70 с речи с частотой дискретизации 25 Гц и глубиной звука 4 бит. 2. Рассчитать объем музыкального произведения при частоте 44,1 кГц, длительности 4 мин, глубине звука 16 бит.

Вариант 18

1. Рассчитайте информационный объем закодированного стереозвука, если записано звучание 215 секунд с частотой дискретизации 5кГц и глубиной звука 3 бит. 2. Оцените информационный объем высокачественного стерео аудиофайла длительностью звучания 1 минута, если глубина дискретизации 16 бит, а частота 48 кГц.

Вариант 19

1. Рассчитайте информационный объем закодированного звука, если записано звучание 34 с речи с частотой дискретизации 45 Гц и глубиной звука 7 бит. 2. Рассчитайте время звучания моно аудиофайла, если при 4-битном кодировании и частоте дискретизации 16 кГц его объем равен 350 Кбайт.

Вариант 20

1. Рассчитайте информационный объем закодированного стереозвука, если записано звучание 126 секунд с частотой дискретизации 32 Гц и глубиной звука 6 бит. 2. Определить объем памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет 4 минуты при частоте дискретизации 55 кГц и расширении 32 бит.

Вариант 21

1. Рассчитайте информационный объем закодированного звука, если записано звучание 14 с речи с частотой дискретизации 13 Гц и глубиной звука 12 бит. 2. Объем свободной памяти на диске - 512 Мбайт, разрядность звуковой платы - 32. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 66100 Гц.

Вариант 22

1. Рассчитайте информационный объем закодированного стереозвука, если записано звучание 25 секунд с частотой дискретизации 15 Гц и глубиной звука 16 бит. 2. Определить объем памяти для хранения стерео-аудиофайла, время звучания которого составляет 2 минуты, если известно, что частота дискретизации равна 40 000 Гц, а глубина кодирования звука равна 16 бит.

Контрольные вопросы

1. Дайте определения понятиям "звук" и "звуковая система ПК"? 2. Какие основные функции выполняет звуковая система ПК? 3. Каковы основные этапы аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования? 4. Какие применяют методы синтеза звука? 5. Какие функции выполняет модуль микшера и что относится к числу его основных характеристик? 6. Дайте определения понятиям "временная дискретизация" и "битрейт"?

Работа со звуковой системой ПК. Вычисление информационного объема закодированного звука

Похожие статьи