11. Представление звуковой информации

Теория звука на ПК настолько глубока и объемна, что быть может сравнима с математикой, так как, она тесно взаимодействует с информатикой, математикой, электротехникой, химией, биологией, и множеством других информационных сокровищ человечества. Еще древнегреческий философ и ученый - энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, объяснял природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Первичным носителем звуковой информации является акустическая среда, способная передавать звуковые волны – колебания давления воздуха, воды и другой среды. Источником звука являются механические колебания (колебания голосовых связок, струны и др.). Воздействуя на наш слуховой аппарат, колебания воздуха преобразуются в слуховые ощущения. При этом частота колебаний определяет высоту звука, а амплитуда – громкость (уровень). Человеческое ухо воспринимает колебания с частотой 20 Гц – 20 кГц (Гц – 1 колебание в секунду, герц). "Полезный" звук всегда сопровождается некоторым шумом. По отношению уровня полезного звукового сигнала к уровню шума человеческое ухо настроено на так называемый максимальный динамический диапазон в 90 дБ (децибел). Превышение этого диапазона сопровождается чрезмерным увеличением громкости и вызывает болезненные ощущения.

Важнейшим вторичным носителем звуковой информации является электромагнитное поле. Электромагнитные волны возникают при воздействии звуковых волн на мембрану микрофона, распространяются по проводам или в радиоэфире, а в акустических системах (звуковых колонках, наушниках) преобразуются снова в звук. При этом частота и амплитуда звуковых колебаний определенным образом связаны с частотой и амплитудой электромагнитных колебаний. Такое электромагнитное представление звуковой информации называется аналоговым звуковым сигналом. Дальность передачи аналогового сигнала значительно превышает дальность передачи звуковых волн.

Акустический сигнал научились записывать и воспроизводить в 1877 году. Сначала для этого использовался механический способ записи звука на восковые валики (фонограф Т. Эдисона), затем на пластмассовые граммофонные пластинки (граммофон, патефон) – механическим и электромеханическим способом. В кино используется фотоэлектрический способ записи звука на киноплёнку. В отличие от "акустического" звука для его аналогового представления существуют весьма совершенные способы сохранения звуковой информации на магнитных лентах. Однако, при передаче или перезаписи акустического или аналогового сигнала он искажается, звуковая информация теряется и качество звука ухудшается.

И в "акустическом" звуковом сигнале, и в аналоговом амплитуда колебаний является непрерывной функцией времени и пространства. Разложение этой функции в ряд Фурье (по функциям sin(nt) и cos(nt)) имеет естественную интерпретацию. Каждая такая функция называется гармоникой и соответствует звучанию одного тона (ноты), соответствующего звуковой волне с частотой n. Величина коэффициента при этой гармонике определяет громкость ее звучания. При извлечении некоторого тона с помощью музыкального инструмента этот основной тон сопровождается обертонами – более высокими и слабыми тонами, определяющими тембр инструмента. Важной характеристикой является спектр звуковой волны – совокупность коэффициентов ряда Фурье для всех гармоник. Анализ спектра используется для борьбы с излишними шумами.

В учении о звуке важны такие понятия как тон и тембр звука. Всякий реальный звук, будь то игра музыкальных инструментов или голос человека, - это своеобразная смесь многих гармонических колебаний с определенным набором частот.

Колебание, которое имеет наиболее низкую частоту, называют основным тоном, другие - обертонами.

Тембр - разное количество обертонов, присущих тому или иному звуку, которое придает ему особую окраску. Отличие одного тембра от другого обусловлено не только числом, но и интенсивностью обертонов, сопровождающих звучание основного тона. Именно по тембру мы легко можем отличить звуки рояля и скрипки, гитары и флейты, узнать голос знакомого человека.

Компьютер широко применяют в настоящее время в различных сферах. Не стала исключением и обработка звуковой информации, музыка. До 1983 года все записи музыки выходили на виниловых пластинках и компакт-кассетах. В настоящее время широкое распространение получили компакт-диски. Если имеется компьютер, на котором установлена студийная звуковая плата, с подключенными к ней MIDI-клавиатурой и микрофоном, то можно работать со специализированным музыкальным программным обеспечением.

Условно его можно разбить на несколько видов:

1) всевозможные служебные программы и драйверы, предназначенные для работы с конкретными звуковыми платами и внешними устройствами;

2) аудиоредакторы, которые предназначены для работы со звуковыми файлами, позволяют производить с ними любые операции - от разбиения на части до обработки эффектами;

3) программные синтезаторы, которые появились сравнительно недавно и корректно работают только на мощных компьютерах. Они позволяют экспериментировать с созданием различных звуков и другие.

К первой группе относятся все служебные программы операционной системы. Установив звуковую плату можно при помощи этих программ проверить ее работоспособность. Например, программа Фонограф предназначена для работы с wave-файлами (файлы звукозаписи в формате Windows). Эти файлы имеют расширение .WAV . Эта программа предоставляет возможность воспроизводить, записывать и редактировать звукозапись приемами, аналогичными приемам работы с магнитофоном. Желательно для работы с Фонографом подключить микрофон к компьютеру. Если необходимо сделать звукозапись, то нужно определиться с качеством звука, так как именно от нее зависит продолжительность звукозаписи. Возможная продолжительность звучания тем меньше, чем выше качество записи. При среднем качестве записи можно удовлетворительно записывать речь, создавая файлы продолжительностью звучания до 60 секунд. Примерно 6 секунд будет продолжительность записи, имеющая качество музыкального компакт - диска.

В настоящее время существует два основных способах записи звука: аналоговый и цифровой. Но для того чтобы записать звук на какой-нибудь носитель его нужно преобразовать в электрический сигнал.

Виниловая пластинка является примером аналогового хранения звуковой информации, так как звуковая дорожка свою форму изменяет непрерывно. Но у аналоговых записей на магнитную ленту есть большой недостаток - старение носителя. За год фонограмма, которая имела нормальный уровень высоких частот, может их потерять. Виниловые пластинки при проигрывании их несколько раз теряют качество. Поэтому преимущество отдают цифровой записи.

В начале 80-х годов появились компакт-диски. Они являются примером дискретного хранения звуковой информации, так как звуковая дорожка компакт - диска содержит участки с различной отражающей способностью. Теоретически эти цифровые диски могут служить вечно, если их не царапать, т.е. их преимуществами являются долговечность и неподверженность механическому старению. Другое преимущество заключается в том, что при цифровой перезаписи нет потери качества звука.