Краткое содержание: Параграф § 16 / Информатика 10 класс

Основы кодирования звука

Звук представляет собой волны, распространяющиеся в воздухе, воде или другой среде, характеризующиеся непрерывно меняющейся амплитудой (громкостью) и частотой (высотой тона). Чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный аналоговый звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму. Этот процесс называется оцифровкой звука и состоит из двух этапов:

• Временная дискретизация: Непрерывный звуковой сигнал измеряется через определённые равные промежутки времени. Количество таких измерений в секунду называется частотой дискретизации и измеряется в Герцах (Гц) или Килогерцах (кГц). Чем выше частота дискретизации, тем точнее сохраняется форма исходного звукового сигнала.
• Квантование: Результаты измерений (значения амплитуды) записываются в цифровом виде с ограниченной точностью. Число бит, используемое для кодирования одного результата измерения, называется глубиной кодирования (или разрешением) и определяет количество возможных уровней громкости (\( N = 2^I \), где \( I \) — глубина кодирования в битах). Чем больше глубина кодирования, тем выше качество цифрового звука.

При оцифровке происходит искажение восстанавливаемого сигнала, в том числе потеря информации из-за дискретизации (непрерывный сигнал между точками измерения не сохраняется) и квантования (громкость округляется до ближайшего кодируемого уровня).

Характеристики звука и их измерение

• Громкость (амплитуда) измеряется в Паскалях (Па) или в относительных единицах — децибелах (дБ). Порог слышимости соответствует 0 дБ, а болевой порог — около 140 дБ.
• Частота (высота тона) определяется количеством колебаний в секунду и выражается в Герцах (Гц). Человек способен воспринимать звуки в широком диапазоне, но наибольшее значение для жизни имеют частоты от 125 до 8000 Гц.

Объём звукового файла

Объём цифрового звукового фрагмента (\( V \)) в битах рассчитывается по формуле:

\( V = I \cdot F \cdot t \cdot K \)

• \( I \) — глубина кодирования (в битах).
• \( F \) — частота дискретизации (в Гц).
• \( t \) — длительность звучания (в секундах).
• \( K \) — количество каналов (1 для моно, 2 для стерео).

Если глубина кодирования или частота дискретизации увеличиваются, то объём файла также увеличивается, что позволяет более точно сохранить форму и впоследствии восстановить звуковой сигнал, повышая качество цифрового звука.

Теорема Найквиста

В 1928 году Гарри Найквист сформулировал утверждение, что для точного восстановления аналогового сигнала частота дискретизации должна быть как минимум в два или более раза выше максимальной частоты, измеряемой в сигнале. Позднее Клод Шеннон развил эту теорию, доказав, что дискретные значения могут восстановить форму непрерывного сигнала при определённых условиях.

Способы записи звука

Звукозапись — это процесс сохранения информации о параметрах звуковых волн. Способы записи делятся на:

• Аналоговые: На носителе (например, виниловой пластинке) размещается непрерывный «слепок» звуковой волны, повторяющий её амплитуду и частоту.
• Цифровые: Звук кодируется в дискретную форму.

Примеры параметров оцифровки: для телефонной связи используется глубина кодирования 8 бит, частота 8 кГц и 1 канал; для CD-качества — 16 бит, 44,1 кГц и 2 канала.

Ключевые понятия и фигуры

• Звук: Волна с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.
• Громкость: Характеризуется амплитудой колебаний; измеряется в Паскалях (Па) или децибелах (дБ).
• Частота: Количество колебаний в секунду; измеряется в Герцах (Гц).
• Оцифровка звука: Преобразование аналогового звукового сигнала в цифровую дискретную форму.
• Временная дискретизация: Измерение звукового сигнала через равные промежутки времени.
• Частота дискретизации (\( F \)): Количество измерений громкости звука за одну секунду (в Гц).
• Квантование: Запись результатов измерений (амплитуды) в цифровом виде с ограниченной точностью.
• Глубина кодирования (\( I \)): Количество бит, используемое для кодирования одного результата измерения (разрешение).
• Формула объёма звука: Объём (\( V \)) в битах = \( I \cdot F \cdot t \cdot K \), где \( t \) — длительность в секундах, \( K \) — количество каналов.
• Гарри Найквист: Американский учёный, сформулировавший утверждение о необходимой частоте дискретизации.
• Клод Шеннон: Учёный, сформулировавший теорему, подтверждающую условия восстановления непрерывного сигнала.