Преобразование электрического сигнала, полученного от звуковой карты компьютера, в звуковые колебания

Обновлено: 21.11.2024

Звуковая карта позволяет компьютеру создавать и записывать настоящий высококачественный звук. См. другие изображения компьютерного оборудования.

До изобретения звуковой карты ПК мог издавать только один звук — гудок. Хотя компьютер мог изменить частоту и продолжительность звукового сигнала, он не мог изменить громкость или создать другие звуки.

Сначала звуковой сигнал действовал в основном как сигнал или предупреждение. Позже разработчики создали музыку для самых ранних компьютерных игр, используя гудки разной высоты и длины. Эта музыка не была особенно реалистичной — вы можете услышать образцы некоторых из этих саундтреков в Crossfire Designs.

К счастью, звуковые возможности компьютеров значительно расширились в 1980-х годах, когда несколько производителей представили дополнительные карты, предназначенные для управления звуком. Теперь компьютер со звуковой картой может делать гораздо больше, чем просто подавать звуковой сигнал. Он может воспроизводить 3-D звук для игр или воспроизводить объемный звук для DVD. Он также может захватывать и записывать звук с внешних источников.

В этой статье вы узнаете, как звуковая карта позволяет компьютеру создавать и записывать настоящий высококачественный звук.

Аналоговый и цифровой

Звуки и компьютерные данные принципиально разные. Звуки аналоговые — они состоят из волн, проходящих через материю. Люди слышат звуки, когда эти волны физически вибрируют их барабанные перепонки. Однако компьютеры общаются в цифровом виде, используя электрические импульсы, которые представляют 0 и 1 с. Как и графическая карта, звуковая карта преобразует цифровую информацию компьютера в аналоговую информацию внешнего мира.

Звук состоит из волн, проходящих через среду, например воздух или воду.

Самая простая звуковая карта представляет собой печатную плату, на которой используются четыре компонента для преобразования аналоговой и цифровой информации:

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)
Интерфейс ISA или PCI для подключения карты к материнской плате
Входные и выходные разъемы для микрофона и динамиков.

Вместо отдельных АЦП и ЦАП в некоторых звуковых картах используется чип кодера/декодера, также называемый кодеком, который выполняет обе функции.

В следующем разделе мы рассмотрим аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования, которые происходят на звуковой карте.

Одним из новейших достижений в технологии звуковых карт является , или Xtreme Fidelity, от производителя SoundBlaster Creative. Особенности:

"Активная модальная архитектура", которая дает людям различные варианты звука для игр, отдыха или создания музыки.
Цифровой сигнальный процессор (DSP) с 51 миллионом транзисторов
Несколько обработчиков, каждый из которых выполняет определенные звуковые операции.
24-битный Crystallizer, устраняющий некоторые потери качества звука, характерные для 16-битной записи компакт-дисков.

ExtremeTech предлагает обширную статью с подробным описанием возможностей .

Представьте, что вы используете компьютер для записи собственного разговора. Во-первых, вы говорите в микрофон, который вы подключили к звуковой карте. АЦП преобразует аналоговые волны вашего голоса в цифровые данные, понятные компьютеру. Для этого он сэмплирует или оцифровывает звук, проводя точные измерения волны через частые промежутки времени.

Количество измерений в секунду, называемое частотой дискретизации, измеряется в кГц. Чем выше частота дискретизации карты, тем точнее реконструированная волна.

Если бы вы воспроизвели запись через динамики, ЦАП выполнил бы те же основные действия в обратном порядке. Благодаря точным измерениям и высокой частоте дискретизации восстановленный аналоговый сигнал может быть почти идентичен исходной звуковой волне.

Однако даже высокая частота дискретизации приводит к некоторому снижению качества звука. Физический процесс перемещения звука по проводам также может вызывать искажения. Производители используют два показателя для описания снижения качества звука:

Общее гармоническое искажение (THD), выраженное в процентах.
Отношение сигнал/шум (SNR), измеряется в децибелах.

И для THD, и для SNR меньшие значения указывают на лучшее качество. Некоторые карты также поддерживают цифровой ввод, что позволяет людям хранить цифровые записи без преобразования их в аналоговый формат.

Далее мы рассмотрим другие компоненты, обычно встречающиеся на звуковых картах, и то, что они делают.

Компьютеры и звуковые карты могут использовать несколько методов для создания звуков. Одним из них является синтез с частотной модуляцией (FM), при котором компьютер накладывает несколько звуковых волн, чтобы создать волны более сложной формы. Другим является синтез волновой таблицы, в котором используются сэмплы реальных инструментов для воспроизведения музыкальных звуков. Синтез волновой таблицы часто использует несколько сэмплов одного и того же инструмента, играемых с разной высотой звука, чтобы обеспечить более реалистичное звучание.В целом, синтез волновой таблицы обеспечивает более точное воспроизведение звука, чем синтез FM.

Другие компоненты звуковой карты

В дополнение к основным компонентам, необходимым для обработки звука, многие звуковые карты включают в себя дополнительное оборудование или соединения ввода/вывода, в том числе:

Цифровой сигнальный процессор (DSP). Подобно графическому процессору (GPU), DSP представляет собой специализированный микропроцессор. Он снимает часть нагрузки с процессора компьютера, выполняя вычисления для аналогового и цифрового преобразования. DSP могут обрабатывать несколько звуков или каналов одновременно. Звуковые карты, не имеющие собственного DSP, используют для обработки ЦП. Память: Как и графическая карта, звуковая карта может использовать собственную память для более быстрой обработки данных. Входные и выходные соединения: большинство звуковых карт имеют, как минимум, соединения для микрофона и динамиков. Некоторые включают в себя так много входных и выходных соединений, что у них есть коммутационная коробка, которая часто монтируется в один из отсеков для дисков, чтобы разместить их. Эти соединения включают:

Подключение нескольких динамиков для трехмерного и объемного звука.
Цифровой интерфейс Sony/Philips (S/PDIF), протокол передачи файлов для аудиоданных. Он использует коаксиальные или оптические соединения для ввода и вывода звуковой карты.
Цифровой интерфейс музыкальных инструментов (MIDI), используемый для подключения синтезаторов или других электронных инструментов к их компьютерам.
Подключения FireWire и USB, которые подключают цифровые аудио- или видеомагнитофоны к звуковой карте.

Дизайнеры игр используют трехмерный звук для создания динамичного динамичного звука, который меняется в зависимости от положения игрока в игре. Помимо использования звука с разных направлений, эта технология позволяет реалистично воспроизводить звук, проходящий вокруг или сквозь препятствия. Объемный звук также использует звук с нескольких направлений, но звук не меняется в зависимости от действий слушателя. Объемный звук часто используется в системах домашнего кинотеатра.

Как и графическая карта, звуковая карта использует программное обеспечение, помогающее ей взаимодействовать с приложениями и остальной частью компьютера. Это программное обеспечение включает драйверы карты, которые позволяют карте обмениваться данными с операционной системой. Он также включает в себя интерфейсы прикладных программ (API), которые представляют собой наборы правил или стандартов, упрощающих взаимодействие программного обеспечения с картой. К наиболее распространенным API относятся:

Майкрософт: DirectSound
Креатив: расширения для звуков окружающей среды (EAX) и Open AL
Сенсаура: MacroFX
QSound Labs: QSo
Далее мы рассмотрим встроенную материнскую плату и варианты внешнего управления звуком.

Большинство из нас воспринимает звук как должное. В конце концов, когда мы покупаем компьютер или ноутбук, у него есть встроенный динамик или легкодоступный аудиоразъем.

Но раньше такого не было. Компьютеры могли издавать только один звук — бип. Хотя вы могли изменить его высоту и длину, это было не очень реалистично.

Итак, чтобы воссоздать звуки такими, какими мы их слышим, производители создали звуковые карты. Итак, вот как работает звуковая карта и нужна ли она вам для ПК.

Основы

Звук по своей сути является аналоговым сигналом и создается посредством вибрации. Молекулы воздуха, окружающие объект, вибрируют вместе с ним. Когда эти молекулы воздуха движутся, они сталкиваются с другими молекулами воздуха, распространяя звук.

Мы слышим звук, когда эти вибрирующие молекулы воздуха контактируют с нашими барабанными перепонками. Наши барабанные перепонки передают вибрации во внутреннее ухо. Наши нервы преобразуют вибрации в электрические импульсы, чтобы мы могли слышать музыку.

Компьютеры, с другой стороны, разговаривают цифровым способом. Они передают электрические сигналы в единицах и нулях. Это в основном просто сигналы включения и выключения. Они не преобразуются в звук, поэтому их необходимо преобразовать из цифровых сигналов в аналоговые.

Здесь на помощь приходит звуковая карта. Компьютер отправляет на карту данные, которые затем обрабатывает и преобразует в аналоговый выход.

Как работают звуковые карты

Большинство звуковых карт состоят из четырех основных компонентов:

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)
Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)
Интерфейс PCIe
Входные и выходные соединения

В некоторых картах используется микросхема кодера/декодера, называемая кодеком, которая выполняет как функции ЦАП, так и функции АЦП.

Когда ваш компьютер воспроизводит звук, он отправляет сигнал на звуковую карту через интерфейс PCIe. Этот сигнал проходит через ЦАП, прежде чем выкачивается из выходного соединения.

Запись звука на ваш компьютер осуществляется таким же образом, но в обратном порядке. Ваша звуковая карта получает сигналы через входное соединение. Затем он преобразуется в 1 и 0 с через АЦП. После этого карта отправляет сигнал через PCIe в ваш ЦП для обработки.

Кроме того, другие звуковые карты оснащены цифровым сигнальным процессором (DSP) и усилителем. DSP — это микропроцессор, специально разработанный для обработки звука. Он обеспечивает вычислительную мощность, необходимую ЦАП/АЦП/кодеку для преобразования сигналов. Если ваша звуковая карта не имеет DSP, для этого преобразования используется ваш ЦП.

С другой стороны, усилитель или усилитель используется для усиления выходного сигнала. Если преобразованный сигнал слабый, усилитель использует электроэнергию для увеличения его амплитуды. Это увеличивает громкость звука на выходе.

Нужна ли вам звуковая карта?

Честно говоря, большинству пользователей не нужна независимая звуковая карта. В 80-х и 90-х для компьютеров требовалась отдельная звуковая карта. Это связано с тем, что тогдашние процессоры не были достаточно мощными для обработки звука.

Но по мере развития технологий процессоры стали достаточно мощными, чтобы звуковые карты больше не требовались. Вот почему в большинстве готовых компьютеров и ноутбуков нет отдельной звуковой карты.

Встроенной звуковой карты на большинстве компьютеров достаточно для обеспечения качественного звука. Но если вы профессионально работаете со звуком или у вас есть домашний кинотеатр с объемным звуком 7.1, он вам, вероятно, понадобится.

Некоторые геймеры также используют звуковые карты для повышения производительности. Это связано с тем, что некоторые из этих карт используют виртуализацию объемного звука. Эта технология преобразует 3D-звук в стереовыход для наушников. Затем игроки могут использовать слуховые сигналы, чтобы определить позицию своего врага.

Что искать в звуковой карте

Если вы хотите добиться наилучшего качества звука, вам подойдет звуковая карта. Но с таким количеством вариантов, на что обратить внимание?

1. Трехмерное пространственное изображение

Эта функция позволяет преобразовывать 3D-эффекты в стереозвук. Хотя больше всего от этого выигрывают геймеры, это также добавляет погружения как в звук, так и в видео.

Если на вашей звуковой карте есть функция 3D Spatial Imaging, она может обрабатывать звук из фильмов, чтобы вы чувствовали себя в гуще событий. Он также может добавлять эффекты к вашей музыке и создавать ощущение, будто вы слушаете ее в концертном зале.

2. Технология объемного звука

Если у вас есть система домашнего кинотеатра 5.1, вам нужна звуковая карта, которая ее поддерживает. Эти звуковые системы используют пять динамиков (или более) и сабвуфер, чтобы обеспечить эффект присутствия.

Если ваша звуковая карта не поддерживает технологию объемного звучания, вы не сможете использовать все возможности домашнего кинотеатра. Но если ваша звуковая карта поддерживает объемный звук, она, скорее всего, также будет поддерживать трехмерное пространственное изображение.

3. Поддержка S/PDIF

Большинство домашних кинотеатров имеют разъем S/PDIF. S/PDIF расшифровывается как Sony/Phillips Digital Interconnect Format. Первоначально он был разработан Sony и Phillips для передачи несжатого высококачественного звука.

Если вы хотите воспользоваться этим преимуществом, ваша звуковая карта должна иметь порт S/PDIF для подключения домашнего кинотеатра.

4. MIDI-порты

Если вы музыкант и хотите записывать свои инструменты на ПК, вам необходим MIDI-порт. MIDI-файлы не просто записывают звук; они также могут записывать определенные музыкальные инструкции.

Например, программное обеспечение MIDI будет включать нотную запись, высоту тона, громкость, вибрато, панорамирование, темп и многое другое при записи музыки через порт MIDI. Это позволяет музыкантам менять аспекты своей музыки на лету.

Звуковые карты и ЦАП

Как объяснялось ранее, ЦАП необходим для работы любой звуковой карты. Но если вы посмотрите на рынок сегодня, вы также можете найти внешние ЦАП, доступные для покупки.

ЦАП – это, по сути, внешние звуковые карты без встроенного процессора. В первую очередь они предназначены для прямого преобразования цифрового сигнала в аналоговый.

Поскольку ЦАП не имеет встроенного процессора, драйвер для ЦАП обычно не требуется. Они также универсальны. Вы можете подключить их к ПК, смартфону или динамикам с помощью таких вариантов подключения, как USB или Bluetooth.

С другой стороны, звуковые карты обычно являются встроенными картами, для которых требуется слот PCIe. Это означает, что их можно установить только на автономный процессор. Вы не можете установить звуковую карту на свой ноутбук, если у вас нет для нее внешнего корпуса.

Одним из существенных преимуществ звуковой карты перед ЦАП является то, что она может обрабатывать звук. Это означает, что вы можете использовать звуковую карту для добавления эффектов к звуку, таких как настройки цифрового эквалайзера.

Вы меломан?

Большинство меломанов согласны с тем, что звуковая карта необходима для получения наилучшего звука с вашего компьютера. Но если у вас неограниченный бюджет, вы должны найти лучший баланс между ценой и качеством звука. Согласно закону убывающей отдачи, самая дорогая звуковая карта не будет лучшим соотношением цены и качества для ваших ушей.

Для синтеза звука в компьютерах используются компоненты, называемые схемами генератора, которые создают вибрации для воспроизведения звука. Синусоидальная волна — одна из самых основных форм колебаний. Амплитуда волны соответствует звуку, а частота — высоте тона.

Как звук сохраняется в файле?

Чтобы звук действительно преобразовывался в 0 и 1, он записывается с помощью микрофона, который преобразует его в электрические сигналы в аналоговой форме, которые затем преобразуются в цифровой (или двоичный) формат с помощью аналого-цифрового преобразователя. Полученные цифровые данные (в двоичной форме или в форме нулей и единиц) затем можно сохранить на компьютере.

Какие части компьютера дают вам звук с компьютера?

Звуковая карта (также известная как звуковая карта) — это внутренняя карта расширения, которая обеспечивает ввод и вывод аудиосигналов на компьютер и с него под управлением компьютерных программ.

Какая часть компьютера воспроизводит звук?

Динамики. Динамики заставляют воздух двигаться и создают звуки, которые вы слышите. Большинство компьютеров поставляются в комплекте с набором динамиков, которые подключаются к звуковой карте (или внутреннему звуку).

Как записывается звук?

Акустическая аналоговая запись достигается за счет диафрагмы микрофона, которая улавливает изменения атмосферного давления, вызванные акустическими звуковыми волнами, и записывает их как механическое представление звуковых волн на носителе, таком как грампластинка (на которой игла нарезает канавки на запись).

Как музыка хранится на компьютере?

Процесс хранения музыки в цифровом формате включает в себя нарезку аудиосигнала и сохранение каждой секции в виде двоичного кода. Когда это делается в 16-битном формате, получается 65 536 уровней. Как вы знаете, вся эта бинарная информация должна храниться либо на диске, либо на накопителе.

Является ли устройство издающим звуки?

Звук также можно использовать в качестве выходного устройства для создания предупредительного шума или действия в качестве сигнала тревоги, а громкоговорители, зуммеры, сирены и оповещатели — это все типы звуковых преобразователей, которые можно использовать для этой цели с наиболее часто используемыми звуковыми сигналами. Тип выходного звукового привода — «Громкоговоритель».

Какая часть этих устройств воспроизводит звук?

Самым распространенным устройством вывода звука является звуковая карта. Эта дополнительная плата периферийных устройств подключается к материнской плате компьютера через слот расширения, обычно предоставляя аудиовходы и выходы в виде аналоговых разъемов 3,5 мм.

Какое устройство вывода позволяет вам воспроизводить ее звук?

<р>5. Компьютерные колонки. Динамики подключены к компьютерам для вывода звука. Для работы колонок необходимы звуковые карты.

Издает ли звук электроника?

Как правило, приборы или устройства, работающие под высоким напряжением, издают больше слышимых звуков, тогда как устройства с низким напряжением могут быть услышаны лишь немногими избранными. В других случаях более очевидны «звуки электричества».

Какое устройство делает звук громче?

Струна, за которую дергают с силой, имеет большую амплитуду, а большая амплитуда делает звук громче, когда он достигает вашего уха. Громкость зависит от амплитуды. Чем больше амплитуда, тем громче звук.

Как микрофон воспроизводит звук?

Микрофон преобразует звук в слабый электрический ток. Звуковые волны попадают на диафрагму, которая вибрирует, перемещая магнит рядом с катушкой. В некоторых конструкциях катушка движется внутри магнита. В конденсаторном микрофоне входящий звук вызывает вибрацию одной пластины конденсатора.

Где мои музыкальные файлы?

На устройстве Android без слота для SD-карты файлы синхронизируются с папкой верхнего уровня/Музыка во внутренней памяти. На устройстве Android со слотом для SD-карты в настройках появится переключатель «Хранилище:». Если установлено значение «Внутреннее», файлы будут синхронизироваться с внутренней памятью, как на устройствах без слота для SD-карты.

Как видео и звук хранятся на компьютере?

Материалы, хранящиеся на компакт-дисках и DVD-дисках, хранятся в цифровом формате, будь то музыка, видео, программное обеспечение или данные. Формат аудиофайла представляет собой формат цифрового контейнера для хранения аудиоданных в компьютерной системе. Обычно codecl (алгоритм сжатия-распаковки) используется для кодирования и декодирования потока цифровых данных.

Где мои загруженные музыкальные файлы?

Гугл. андроид. музыка/файлы/музыка/ . Если вы используете внутреннюю память, путь будет /sdcard/Android/data/com.

Что такое звуковые устройства в компьютере?

Звуковые устройства – это компьютерные периферийные устройства, которые воспроизводят, обрабатывают или записывают звук или электронные сигналы, представляющие звук. Практически вся современная музыка и звуковое сопровождение фильмов производятся в цифровом формате с использованием компьютерных звуковых устройств.

Как электрические сигналы преобразуются в звук?

электромеханический преобразователь, любой тип устройства, которое либо преобразует электрический сигнал в звуковые волны (как в громкоговорителе), либо преобразует звуковую волну в электрический сигнал (как в микрофоне).

Какое устройство используется для прослушивания звуков и музыки, сохраненных на компьютере?

Затем он преобразуется в «аналог» определенного звука. Лента обычно записывает звук, и обычно цифровая информация представляет собой форму, в которую она в основном преобразуется. Наконец, местом хранения является жесткий диск компьютера. Итак, микрофон — это устройство, которое помогает воспроизвести записанный звук.

Как изменить вывод звука в Windows 10?

Установка устройства вывода звука для приложений по отдельности в Windows 10 Откройте приложение «Настройки». Перейдите в Система -> Звук. Справа нажмите Громкость приложения и настройки устройства в разделе «Другие параметры звука». На следующей странице выберите нужное устройство вывода звука для любого из приложений, воспроизводящих звуки.

Что такое устройство ввода звука?

Устройства ввода звука позволяют пользователю отправлять звуковую информацию на компьютер для обработки, записи или выполнения команд. Такие устройства, как микрофоны, позволяют пользователям разговаривать с компьютером для записи голосового сообщения или навигации по программному обеспечению.

Микрофон является входом или выходом?

Микрофон является устройством ввода или вывода? Микрофоны являются устройствами ввода, потому что они вводят информацию в компьютер. Обратите внимание, что сигнал микрофона должен быть преобразован в цифровые данные, прежде чем его можно будет отправить на компьютер и использовать на нем.

Как установить устройство вывода звука?

В Windows найдите и откройте Диспетчер устройств. Дважды щелкните Звуковые, видео и игровые контроллеры. Щелкните аудиоустройство правой кнопкой мыши и выберите «Обновить драйвер». Нажмите Автоматический поиск обновленного программного обеспечения драйвера, чтобы проверить наличие и установить драйвер.

Что такое аудиовыходы?

Аудиовыход, также известный как аудиовыход, передает сигнал (цифровой или аналоговый) на аудиовход другого устройства. Например, телевизор может воспроизводить звук через внешний динамик, подключив аудиовыход телевизора к аудиовходу динамика с помощью кабеля или беспроводного соединения.

Динамики и сигналы

Будь то компьютер, наушники или стереосистема, динамик воспроизводит звук, заставляя конус (внешнюю поверхность) вибрировать. Конус, часто сделанный из бумаги, прикреплен к звуковой катушке, электромагниту. За звуковой катушкой находится второй магнит. Посылая положительный или отрицательный электрический сигнал на звуковую катушку, она попеременно притягивается и отталкивается от второго магнита. Постоянно чередуя сигнал между положительным и отрицательным, звуковую катушку и, следовательно, конус можно заставить вибрировать. Чем быстрее вибрирует материал, тем выше частота звука; чем сильнее вибрация, тем громче звук.

Цифровой звук

Вместо непосредственной записи непрерывно изменяющегося (аналогового) сигнала или управления им звуковые устройства записывают цифровой сигнал, представляющий собой ряд целых чисел, представленных в двоичной системе счисления через равные промежутки времени. Например, компакт-диск записывает число от 0 до 65 535 со скоростью 44 100 раз в секунду. Чтобы перейти от аналогового мира динамиков и микрофонов к цифровому, устройство должно сэмплировать (измерять), квантовать (разделять) и компандировать (перенумеровывать) сигнал.

Сначала аналоговый сигнал замеряется один раз в каждом интервале (в данном примере — каждые 1/44 100 секунды). Любые изменения, которые происходят между образцами, теряются. Во-вторых, весь диапазон сигнала от нулевой громкости до полной громкости квантуется на участки (в данном примере их 65 535) и значение каждого отсчета перемещается на ближайший уровень квантования (разделительную линию). В-третьих, каждая разделительная линия перенумеровывается или объединяется в целое число (в данном примере от 0 до 65 535).

Эти образцы теперь можно легко преобразовать в двоичные данные (в данном примере 16 бит на образец) и записать на цифровой носитель, такой как жесткий диск, дисковод для гибких дисков или компакт-диск. Чтобы реконструировать (воспроизвести) звук, двоичные данные считываются с носителя, компандируются обратно в исходный диапазон (без громкости до полной громкости), и каждый сэмпл воспроизводится до тех пор, пока не будет найден новый семпл (в этом примере каждые 1/44 100 секунды).

Кодирование и сжатие

Преобразование аналогового сигнала в цифровой называется "кодированием"." Метод кодирования, описанный ранее, называется модуляцией линейного импульсного кодирования. Это означает, что уровни квантования равномерно распределены (линейные), сигнал регулярно дискретизируется (импульсный), сигнал кодируется (кодирование) и сигнал преобразуется из аналоговый сигнал (модуляция). Однако человеческое ухо лучше улавливает изменения в тихих звуках, чем в громких. Таким образом, при линейном кодировании ухо часто не может различить два соседних уровня громкого звука.

Большинство методов кодирования используют это преимущество, располагая уровни очень близко друг к другу при низкой громкости и дальше друг от друга при высокой громкости. Каждый звуковой формат (например, WAVE от Microsoft и IBM, AIFF от Apple, -Law от NeXT и Sun Microsystems) имеет свой собственный метод нелинейного квантования, хотя в большинстве случаев уровни распределяются логарифмически.

При тщательно подобранных уровнях квантования звук может занимать примерно на четыре бита меньше на сэмпл, чем линейно закодированный звук того же качества. В общем, если цифровой сигнал изменен, чтобы содержать меньше информации (например, меньше битов на выборку), то сигнал был "сжат".

Сжатие важно, потому что для представления высококачественного цифрового звука требуется очень много двоичного кода. Трехминутная песня, записанная достаточно точно для человеческого уха, требует 30 мегабайт памяти. На компакт-диске может храниться более 700 МБ данных, но только 74 минуты музыки.

Многие методы кодирования сжимают данные после их оцифровки (выборки) и компандирования. Хотя эти методы являются «с потерями» (они ухудшают качество записи), как и нелинейное кодирование, они используют характеристики человеческого слуха, чтобы свести к минимуму звуковой эффект этих потерь. Однако независимо от того, какой метод используется, всегда существует компромисс между качеством звука и степенью сжатия.

Как и при компандировании, существует множество методов сжатия. Формат MPEG-2 Layer III (MP3) особенно популярен, поскольку он может сжимать звук в десять раз при надежном воспроизведении популярной музыки. Это также позволяет пользователю пожертвовать сжатием ради качества, явно указав количество битов в секунду музыки.

Существует множество других методов кодирования и сжатия, как открытых (например, дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция), так и проприетарных (например, RealAudio от RealNetworks, Advanced Streaming Format от Microsoft). Цифровой интерфейс музыкальных инструментов (MIDI) — это метод связи электронных инструментов, а также форма кодирования. Вместо кодирования аналоговых сигналов он кодирует длину, высоту тона, громкость и инструмент каждой ноты.

Звуковые карты

В компьютере цифровые звуковые данные считываются с носителя и декодируются или распаковываются центральным процессором, но звуковая карта выполняет обработку сигнала (компандирование, квантование, микширование и т. д.). Именно звуковая карта оцифровывает сигнал с микрофона или другого устройства ввода или преобразует его в аналоговый для динамиков.

В случае кодирования MIDI цифровые данные включают только качественные данные о нотах, но не фактический записанный звук. Для MIDI звуковые карты имеют методы эмуляции определенных инструментов. В «синтезе волновой таблицы» сама звуковая карта содержит короткую запись каждого инструмента и очень точна, поскольку основана на записях реальных инструментов. В «синтезе частотной модуляции» (FM-синтез) звуковая карта содержит информацию о том, как имитировать каждый инструмент. Этот метод менее реалистичен, поскольку моделирование не является точным. В любом случае, сдвигая частоту семплов и комбинируя их в соответствии с MIDI-данными, звуковая карта может воспроизвести музыкальное произведение целиком. Используя полифонию (имитация нескольких инструментов одновременно), звуковая карта может имитировать целые группы инструментов.

В звуковых картах есть и другие способы улучшения звука или придания ему большей реалистичности. «Функции передачи, связанные с головой», позволяют устройству искажать музыку, чтобы казалось, что звук исходит откуда-то, кроме динамиков. Цифровые фильтры могут усиливать или изменять компоненты звука (например, усиливать басы) способами, которые на аналоговом оборудовании затруднительны и дороги. Цифровые устройства также редко теряют точность с течением времени, как все аналоговые устройства.

Социальные проблемы

Музыка, как и любое художественное произведение, защищена авторским правом в соответствии с законодательством США. Как и патенты, авторские права были созданы для того, чтобы люди могли обнародовать свою работу, не теряя при этом права на охрану и получение прибыли от своей работы. Закон об авторском праве требует, чтобы владелец авторских прав контролировал распространение произведения в коммерческих или иных целях.

Хотя создание «миксов» аудиокассет для других людей является незаконным, трудоемкость их создания и ухудшение качества, связанное с копированием с одной ленты на другую, ограничивают его популярность. Цифровые технологии создали для пользователей новые способы широко «расшаривать» музыку без проблем с качеством звука, связанных с магнитофонными записями. В конце 1990-х годов скорость современных компьютеров, доступность высокоскоростного подключения к Интернету для частного использования, низкая стоимость компьютерных проигрывателей компакт-дисков и записывающих устройств, а также широкая доступность методов сжатия, таких как MP3, превратили компьютеры в инструменты для получения информации. и хранения огромного количества музыки. Эти коллекции, как и записанные на пленку миксы, являются законными только в том случае, если их владелец также приобрел оригинальную кассету или компакт-диск.

К концу двадцатого века незаконное копирование и распространение музыки стало настолько распространенным явлением, что музыкальная индустрия опасалась, что такие действия существенно нарушают права правообладателей. Музыкальная индустрия начала экспериментировать с криптографическими методами защиты музыки от копирования. Наблюдатели за отраслью знают, что любые решения, скорее всего, будут временными, поскольку цифровая безопасность всегда уязвима для усилий технологически подкованных программистов, которые ищут способы прорваться через новые цифровые границы.

см. также Коды; Методы кодирования; Музыка, Компьютер.

Сальваторе Доменик Дезиано

Библиография

Берг, Ричард Э. и Дэвид Г. Сторк. Физика звука, 2-е изд. Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 1995 г.

Харинг, Брюс. Вне чартов: MP3 и цифровая музыкальная революция. Лос-Анджелес, Калифорния: JM Northern Media, LLC, 2000 г.

Кинцле, Тим. Руководство программиста по звуку. Рединг, Массачусетс: Addison-Wesley, 1998.

Полманн, Кен. Принципы цифрового аудио, 4-е изд. Нью-Йорк: McGraw-Hill Professional Publishing, 2000 г.

Читайте также: