Что такое цифровой звук? Просто о сложном.

Что приходит на смену устаревшим устройствам для записи звука?

Сегодня везде слышим: качественный цифровой звук, цифровая фотография, цифровое видео. Что означает этот модный термин — цифровой? Разгадка — в современных способах записи, обработки и хранения самой разной информации, которые появились одновременно с появлением персональных компьютеров. Первые ПК были предназначены только для расчетных операций, однако впоследствии выяснили, что они могут оперировать текстами, изображениями, звуками и видео. Нужно только перевести все на язык компьютера.

Рассмотрим, как можно записать и воспроизвести звук с помощью ПК. Сначала звуковые колебания преобразуются с помощью микрофона на переменное напряжение. Это напряжение поступает на вход специального устройства компьютера — звуковой карты. Компьютер не может записывать напряжение. Как любое электронное устройство, он может записывать только значение напряжения двух уровней: «напряжение есть» (надо говорить логическая единица) или «напряжения нет» — логический ноль.

Именно в виде комбинаций логических нулей и единиц ПК записывает цифры, буквы, слова или формулы. Понятно, что для записи большого количества информации нужно много ячеек памяти, потому что в одной ячейке может быть записано только одно двоичное число: 1 или 0. Для записи цифры или буквы нужно 8 ячеек памяти. Число 3 записывается как 00000011, число 5 — 00000101, буква к — 01101001 и тому подобное.

Как записать звук?

Панель управления устройствами обработки звука ПКОчень просто! Переменное напряжение, которое попало на звуковую карту, получает многократные измерения, результаты которых ПК бережно записывает в память. Примерно 44 тысячи раз в секунду в каждый момент времени компьютер измеряет напряжение и записывает его значение в память. Это похоже на то, как ученики ведут календарь погоды — ежедневно в одно и то же время записывают показания термометра, барометра. Так же и ПК записывает значения напряжения, но делает это значительно чаще. Как же он успевает? Легко! Современные компьютеры могут делать более миллиарда простых операций в секунду, поэтому 44 или даже 98 тысяч измерений, необходимых для записи высококачественного звукозаписи, для компьютера не является проблемой. Одновременно ПК вынужден выполнять еще много работы: рисовать на экране, записывать результаты измерений на диск, следить за тем, какую клавишу вы нажали, куда сдвинулась мышь, измерять новые значения напряжения и т.п. Несмотря на то, что одно измерения напряжения состоит из нескольких десятков простых операций, быстродействия современных процессоров для этого достаточно.

Чтобы сохранить цифровой звук, требуются большие объемы памяти. Одна секунда звука занимает столько же места, как 88 000 букв! Именно таким образом записывается звук: измерения напряжения записываются на компакт — диск большого объема. Сравните — можно записать в текстовом формате небольшую библиотеку из 4 — 5 тысяч книг по несколько сот страниц или …76 минут качественной музыки.

Компьютерные хитрости

Современные компьютеры научились «хитрить». Очень тихие звуки они записывают с меньшей точностью, ухо все равно их четко не услышит. С меньшей точностью оцифровываются также звуки, которые маскируются за громкие. Зачем подробно записывать, как нежно звучит скрипка в момент сильного удара в барабан? Так, объем памяти, занимаемой звуками, можно уменьшить в десятки раз. Именно это (и не только это) сделано в популярных форматах компьютерного звука MP3, распространенного в Интернете и портативных MP3 — плеерах и Atrac, который  используется в плеерах мини — дисков.

Как воспроизвести звук?

Как же воссоздать цифровой звук? Еще проще, чем записать! На уроках математики вам, наверное, приходилось строить график функции по точкам, а на лабораторных работах по физике — строить график по результатам измерений. При воспроизведении ПК читает из памяти значение напряжения в каждый момент времени и с помощью звуковой карты возобновляет практически такое же переменное напряжение, которое было оцифровано.

Такие способы записи и воспроизведения звука используют не только компьютеры, но и разнообразные CD-, MD- и MP3- плееры, которые, по сути, тоже является микрокомпьютерами, хотя и без привычных нам клавиатур, мышек, мониторов.

Цифровой звук удобно не только записывать и хранить, но и передавать на расстоянии. Удобство заключается в экономном использовании эфирного времени и ресурса батареи. Во время разговора по мобильному телефону, речь превращается в цифровой вид и запоминается. Когда накапливается, скажем, 1/5 секунды звука, включается передатчик телефона, и звук на протяжении 1/100 секунды передается в эфир. Далее передатчик выключается, а телефон тем временем записывает следующую «порцию» звука. Собеседник ничего не замечает: в его телефоне эти кусочки «склеиваются»!

Так, в течение пятиминутного разговора передатчик телефона работает несколько секунд. Зачем такие сложности? Для экономии ресурса батареи! Если бы передатчик телефона работал непрерывно, как в радиостанции, нам пришлось бы заряжать аккумулятор каждые 10 — 20 минут или возить за собой на тележке большой аккумулятор (как в автомобиле).

В одной статье невозможно описать все технические и научные аспекты цифрового звука, однако самое главное — идею, я надеюсь, поняли все. Кстати, догадываетесь ли вы, как можно оцифровать изображения? А видео? Все не так уж и сложно, главное — идея …

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>