Как найти количество уровней громкости звука

Звук.

Звук – это звуковая волна, у которой непрерывно меняется амплитуда и частота. При этом амплитуда определяет громкость звука, а частота — его тон. Чем больше амплитуда звуковых колебаний, тем он громче. А частота писка комара больше частоты сигнала автомобиля. Частоту измеряют в Герцах. 1Гц — это одно колебание в секунду.

Кодирование звука.

Компьютер является мощнейшим устройством для обработки различных типов информации, в том числе и звуковой. Но аналоговый звук непригоден для обработки на компьютере, его необходимо преобразовать в цифровой. Для этого используются специальные устройства — аналого-цифровые преобразователи или АЦП. В компьютере роль АЦП выполняет звуковая карта. Каким же образом АЦП преобразует сигнал из аналогового в цифровой вид? Давайте разберемся.

Пусть у нас есть источник звука с частотой 440Гц, пусть это будет гитара. Сначала звук нужно превратить в электрический сигнал. Для этого используем микрофон. На выходе микрофона мы получим электрический сигнал с частотой 440Гц. Графически он выглядит таким образом:

Следующая задача — преобразовать этот сигнал в цифровой вид, то есть в последовательность цифр. Для этого используется временная дискретизация — аналоговый звуковой сигнал разбивается на отдельные маленькие временные участки и для каждого такого участка устанавливается определенная величина интенсивности звука, которая зависит от амплитуды. Другими словами через какие-то промежутки времени мы измеряем уровень аналогового сигнала. Количество таких измерений за одну секунду называется частотой дискретизации. Частота дискретизации измеряется в Герцах. Соответственно, если мы будет измерять наш сигнал 100 раз в секунду, то частота дискретизации будет равна 100Гц.

Вот примеры некоторых используемых частот дискретизации звука:

• 8 000 Гц — телефон, достаточно для речи;
• 11 025 Гц;
• 16 000 Гц;
• 22 050 Гц — радио;
• 32 000 Гц;
• 44 100 Гц — используется в Audio CD;
• 48 000 Гц — DVD, DAT;
• 96 000 Гц — DVD-Audio (MLP 5.1);
• 192 000 Гц — DVD-Audio (MLP 2.0);
• 2 822 400 Гц — SACD, процесс однобитной дельта-сигма модуляции, известный как DSD — Direct Stream Digital, совместно разработан компаниями Sony и Philips;
• 5,644,800 Гц — DSD с удвоенной частотой дискретизации, однобитный Direct Stream Digital с частотой дискретизации вдвое больше, чем у SACD. Используется в некоторых профессиональных устройствах записи DSD.

Современные звуковые карты способны оцифровывать звук с частотой дискретизации 96Кгц и даже 192 кГц.

В итоге наш аналоговый сигнал превратится в цифровой, а график станет уже не гладким, а ступенчатым, дискретным:

Глубина кодирования звука — это количество возможных уровней сигнала. Другими словами глубина кодирования это точность измерения сигнала. Глубина кодирования измеряется в битах. Например, если количество возможных уровней сигнала равно 255, то глубина кодирования такого звука 8 бит. 16-битный звук уже позволяет работать с 65536 уровнями сигнала. Современные звуковые карты обеспечивают глубину кодирования в 16 и даже 24 бита, а это возможность кодирования 65536  и 16 777 216 различных уровней громкости соответственно.

Зная глубину кодирования, можно легко узнать количество уровней сигнала цифрового звука.  Для этого используем формулу:

N=2ⁱ,

где N — количество уровней сигнала, а i — глубина кодирования.

Например, мы знаем, что глубина кодирования звука 16 бит. Значит количество уровней цифрового сигнала равно 2¹⁶=65536.

Чтобы определить глубину кодирования если известно количество возможных уровней применяют эту же формулу. Например, если известно, что сигнал имеет 256 уровней сигнала, то глубина кодирования составит 8 бит, так как 2⁸=256.

Как понятно из данного вышеприведенного рисунка, чем чаще мы будем измерять уровень сигнала, т.е. чем выше частота дискретизации и чем точнее мы будем его измерять, тем более график цифрового сигнала будет похож на аналоговый график, соответственно, тем выше качество цифрового звука мы получим. И тем больший объем будет иметь файл.

Кроме того, мы рассматривали монофонический (одноканальный) звук, если же звук стереофонический, то размер файла увеличивается в 2 раза, так как он содержит 2 канала.

Рассмотрим пример задачи.

Какой объем будет иметь звуковой монофонический файл содержащий звук, если длительность звука 1 минута, глубина кодирования 8 бит, а частота дискретизации 22050Гц?

Зная частоту дискретизации и длительность звука легко установить количество измерений уровня сигнала за все время. Если частота дискретизации 22050Гц — значит за 1 секунду происходит 22050 измерений, а за минуту таких измерений будет 22050*60=1 323 000.

На одно измерение требуется 8 бит памяти, следовательно на 1 323 000 измерений потребуется 1 323 000*8 = 10 584 000 бит памяти. Разделив полученное число на 8 получим объем файла в байтах — 10584000/8=1 323 000 байт. Далее, разделив полученное число на 1024 получим объем файла в килобайтах — 1 291,9921875 Кбайт. А разделив полученное число еще раз на 1024 и округлив до сотых получим размер файла в мегабайтах — 1 291,9921875/1024=1,26Мбайт.

Ответ: 1,26Мбайт.

Автор:

Решение задач на кодирование звуковой информации.

1. Теоретическая часть

При решении задач учащиеся опираются на следующие понятия:

 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.

Количество различных уровней громкости рассчитываем по формуле N= 2I , 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).

 Качество двоичного кодирования – величина, которая определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации.

Разрядность регистра – число бит в регистре аудио адаптера. 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 2I =N различных значений.

1. Практическая часть. Разбор и решение задачи.

Задача 1. Оцените информационный объём цифрового звукового стерео файла длительностью 20 секунд при глубине кодирования 16 бит и частоте дискретизации 10000 Гц?  Результат представить в Кбайтах, округлить до сотых.

         При решении таких задач надо не забывать следующее:

Что  моно – 1 канал, стерео – 2 канала

Задача 2. Определить размер (в байтах) цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет 10 секунд при частоте дискретизации 22,05 кГц и разрешении 8 бит.

Задача 3. Объем свободной памяти на диске — 5,25 Мб, разрядность звуковой платы — 16. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 22,05 кГц?

На этой странице вы узнаете:

• Чем звуковая “лесенка” удобнее звуковой волны?
• От чего зависит качество вашей любимой музыки и звук при звонке?
• Для чего нужны каналы записи?

Дискретизация по времени и уровни громкости

Звук — это волна, высота которой непрерывно изменяется во времени.

В случае с радугой — если взять на ней две разные точки, они будут иметь разные оттенки, пусть и неразличимые человеческим глазом. В случае со звуком — две любые точки на волне будут разной высоты, пусть человеческое ухо и не почувствует разницы.

Поэтому для кодирования звукового файла также необходимо применять дискретизацию (подробнее о которой можно прочитать в статье «Дискретное представление информации»), причем не одну.

• Дискретизация по громкости превратит волну звука в “лесенку” — вместо постоянно меняющейся высоты волны мы будем иметь конкретные уровни громкости, которые будут приближенно равны высоте волны в разные моменты времени. 

Каждый уровень кодируется определенным количеством бит, которое определяется глубиной кодирования (битовой глубиной/разрешением). Чем она больше, тем больше у нас будет уровней громкости. 

Зависимость количества уровней громкости N от глубины кодирования i будет
N = 2 ^ i.

• Дискретизация по времени определяет, сколько именно раз в секунду будет производиться измерение текущего уровня громкости. Количество измерений в одной секунде — частота дискретизации, измеряется в Гц, а в реальности, когда ее значение становится очень большим — в кГц (1 кГц = 1000 Гц).

Например, следующая звуковая волна была разбита с глубиной кодирования, равной 3 битам (поэтому уровней громкости ровно 2 ^ 3 = 8 и каждый закодирован кодом, длиной в 3 символа) и частотой дискретизации 4 Гц.

Чем больше будут значения глубины кодирования и частоты дискретизации, тем больше “лесенка” будет похожа на оригинальную волну.

Если поднять значения из примера выше всего в несколько раз, результат уже будет гораздо более похожим на оригинальную волну:

В реальности эти параметры могут достигать еще больших значений:

• минимальным значением частоты дискретизации для передачи человеческой речи считается 8000 Гц, оно используется в телефонной связи, а в студиях звукозаписи может принимать значение 192 000 Гц и даже больше;

• достаточной глубиной кодирования звука считается значение 16 бит, при котором появляется уже 2 ^ 16 = 65536 уровней громкости, но для профессиональных работ это значение может доходить и до 32 бит.

Количество каналов. Формула объема звука

Нельзя также забывать про такую характеристику звука, как объемность:

• при прослушивании музыки в наушниках иногда можно услышать, что какие-то музыкальные инструменты громче звучат с одной стороны, а другие — с другой;

• в кинотеатре в масштабных сценах  с большим количеством событий можно услышать, что действия, происходящие на экране справа, звучат громче справа, а происходящие слева — громче слева. А иногда и сзади что-нибудь произойдет.

Например, чтобы озвучить падение двух камней с двух разных сторон, нужно иметь оба звука и воспроизводить их вместе, но с разных колонок или через разные наушники.

Так как каждый новый канал добавляет в аудиофайл буквально новые звуковые волны, каждую из них также придется закодировать по тем же параметрам, поэтому количество каналов прямо пропорционально будет увеличивать объем файла.

Количество каналов обозначается специальными словами: 

• моно — 1 канал;
• стерео — 2 канала;
• квадро — 4 канала.

Осталось вспомнить, что у записи звука есть еще и продолжительность, и мы имеем все данные, чтобы найти вес звукового файла: 

• глубина кодирования i — вес одного уровня звука;
• частота дискретизации F — количество кодируемых уровней громкости в 1 секунде;
• продолжительность t;
• количество каналов записи N.

Полный вес аудиофайла V будет равен произведению всех этих параметров: V = F * B * t * N.

Фактчек

• Глубина кодирования определяет количество бит, выделяемое на хранение одного уровня громкости, на которые будет разделена звуковая волна по высоте;
• Частота дискретизации обозначает дискретизацию звука по времени — сколько уровней громкости будет закодировано в 1 секунде;
• Количество каналов определяет объемность звука, добавляя в 1 файл несколько звуковых волн, поэтому прямо пропорционально увеличивает вес всего файла.

Проверь себя

Задание 1.
Количество уровней громкости зависит от…

1. дискретизации по времени
2. глубины кодирования
3. количества каналов
4. частоты дискретизации

Задание 2.
Что означает формулировка “запись в формате квадро”?

1. При записи использовалась глубина кодирования 4 бит
2. Частота дискретизации равна 2 Гц
3. Количество каналов записи равно 2
4. Количество каналов записи равно 4

Задание 3.
В студии звукозаписи производится одноканальная (моно) запись длиной 3 минуты 25 секунд и с частотой дискретизации 35 кГц. Определите и запишите в ответ максимальную битовую глубину, которая может быть использована при записи музыкального фрагмента, если объём файла не превышает 30 Мбайт.

1. 35
2. 36
3. 70
4. 140

Задание 4.
Для записи песни использовалась четырехканальная (квадро) аудиодорожка. Ее сохранили на компьютер, с объемом 10 Мбайт. Тот же файл был записан еще раз в формате двухканальной (стерео) записи с разрешением в 3 раза выше и частотой дискретизации в 1,5 раза меньше, чем в первый раз. Определите количество мегабайт, которое занимает файл при повторной записи. 

1. 5
2. 8
3. 20
4. 10

Ответы: 1. — 2; 2. — 4; 3. — 1; 4. — 4.

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах. 

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте. 

Как быстро и эффективно исправить почерк?  Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.