Чим Вимірюється Частота Дискретизації - Питання Музиканта
Мал. 1.2. Тимчасова дискретизація звуку
Частота дискретизації.Для запису аналогового звуку і г го перетворення в цифрову форму використовується мікрофон, підключений до звукової плати. Якість отриманого цифрового звуку залежить кількості вимірювань рівня гучності звуку за одиницю часу, т. е.частоти дискретизації. Чим більша кількість вимірювань проводиться за I секунду (чим більша частота дискретизації), тим точніше драбинка цифрового звукового сигналу повторює криву діалогового сигналу.
Частота дискретизації звуку- це кількість вимірювань гучності звуку за одну секунду.
Частота дискретизації звуку може лежати в діапазоні від 8000 до 48 000 вимірів гучності за одну секунду.
Глибина кодування звуку.Кожній сходинці надається певне значення рівня гучності звуку. Рівні гучності звуку можна розглядати як набір можливих станів N, для кодування яких потрібна певна кількість інформації I, яка називається глибиною кодування звуку.
Глибина кодування звуку- це кількість інформації, яка необхідна для кодування дискретних рівнів гучності цифрового звуку.
Якщо відома глибина кодування, кількість рівнів гучності цифрового звуку можна розрахувати за формулою N = 2 I. Нехай глибина кодування звуку становить 16 бітів, тоді кількість рівнів гучності звуку дорівнює:
N = 2 I = 2 16 = 65536.
У процесі кодування кожному рівню гучності звуку присвоюється свій 16-бітовий двійковий код, найменшому рівню звуку буде відповідати код 0000000000000000, а найбільшому - 11111111111111111.
Необхідно пам'ятати, що чим вища якістьцифрового звуку, тим більший інформаційний обсяг звукового файлу. Можна оцінити інформаційний обсяг цифрового стереозвукового файлу тривалістю звучання 1 секунда за середньої якості звуку (16 бітів, 24 000 вимірів на секунду). Для цього глибину кодування необхідно помножити на кількість вимірювань в 1 секунду і помножити на 2 (стереозвук):
16 біт 24 000 2 = 768 000 біт = 96 000 байт = 93,75 Кбайт.
При збереженні звуку у форматах зі стисненням відкидаються надмірні для людського сприйняття звукові частоти з малою інтенсивністю, що збігаються у часі зі звуковими частотами з великою інтенсивністю. Застосування такого формату дозволяє стискати звукові файли в десятки разів, проте призводить до незворотної втрати інформації (файли не можуть бути відновлені у початковому вигляді).
1. Як частота дискретизації та глибина кодування впливають на якість цифрового звуку?
Завдання для самостійного виконання
1.22. Завдання з вибірковою відповіддю. Звукова плата здійснює двійкове кодування аналогового звукового сигналу. Яка кількість інформації необхідна для кодування кожного з 65536 можливих рівнів інтенсивності сигналу?
1) 16 біт 2) 256 біт 3) 1 біт 4) 8 біт.
1.23. Завдання з розгорнутою відповіддю. Оцінити інформаційний обсяг цифрових звукових файлів тривалістю 10 секунд при глибині кодування та частоті дискретизації звукового сигналу, що забезпечують мінімальну та максимальну якість звуку:
1.24. Завдання з розгорнутою відповіддю. Визначити тривалість звукового файлу, який вміститься на дискеті 3,5 (врахуйте, що для зберігання даних на такій дискеті виділяється 2847 секторів об'ємом 512 байтів кожен):
а) при низькій якості звуку: моно, 8 бітів, 8000 вимірюваньсекунду
б) за високої якості звуку: стерео, 16 бітів, 48 000 вимірів на секунду.
Частота дискретизації та розрядність
(5 голосів, в середньому 4.20 із 5)
Частота дискретизації та розрядність 4.20 out of 5 0 based on 5 voters.
Так називають частоту (sampling rate), з якою записуючий пристрій фіксує відліки вхідного сигналу. Коли звук записується у цифровому вигляді, при цьому записуються окремі відліки, тобто. значення інтенсивності звуку окремі моменти часу. Стандартні значення частоти дискретизації для записуючих пристроїв – 44,1 кГц (частота дискретизації музичного компакт-диска), 48, 88,2 та 96 кГц (музичний DVD-диск). Чим більше значення частоти дискретизації, тим більше відліків робиться за 1 секунду і тим ближча якість цифрового звуку до оригіналу.
Що означають ці цифри? Вони говорять про те, скільки разів на секунду пристрій, що записує, знімає значення інтенсивності звуку вхідного сигналу. Частота дискретизації вимірюється в кілогерцях, а 1 кілогерц - це 1000 відліків за секунду. Наприклад, якщо ви записуєте на частоті 48 кГц, значення інтенсивності звуку вимірюється і записується 48000 разів на секунду. Може здатися, що це неймовірно багато, проте не можна забувати про таке явище, як частота Ніквіста.
Оцифровка& процес перетворення аналогового сигналу на цифровий.
Як відомо, звукова хвиля є складною функцією залежності амплітуди хвилі від часу. То як нам записати і зберегти в пам'яті комп'ютера таку функцію? Наприклад, такі звукові хвилі, як у рис. 2.3-2.4 неможливо описати за допомогою аналітичних функцій, але при цьому ми можемо в кожен момент часу виміряти значення амплітуди сигналу і записати у вигляді чисел, ітаким чином запам'ятати ці цифри. Проте значення амплітуди сигналу ми можемо записувати з нескінченної точністю, і тому змушені їх округлювати. Таким чином, оцифрування сигналу включає два процеси & процесдискретизації. коли ми вимірюємо величину сигналу на певних дискретних проміжках іквантування. коли це значення обмежуються певним набором рівнів (рис. 2.5).
Дискретизація та квантування можуть виконуватися у довільному порядку. Ці процеси виконуються спеціальними пристроями, які узагальнено називають аналого-цифровими перетворювачами (АЦП).
Мал. 2.5. Оцифрування
Процесдискретизації& це процес отримання значень величин сигналу, що перетворюється, в певні проміжки часу (рис. 2.5). Як видно із рис. 2.5-2.6, у процесі оцифрування частина інформації втрачається. Якщо частота дискретизації надто мала, тоді в процесі оцифрування деякі деталі будуть втрачені. Наприклад, при дискретизації сигналу (рис. 2.6) з недостатньою частотою ми просто пропустимо пік між точками 2 і 3, а при відновленні аналогового сигналу за отриманими дискретними значеннями сигнал буде сильно відрізнятися від оригіналу. То як же вибрати правильну частоту дискретизації в процесі оцифрування?
Мал. 2.6. Дискретизація із недостатньою частотою
Відповідно до теореми про дискретне уявлення [7] [10], якщо найвища частота із частот компонентів сигналу дорівнюєfh. сигнал можна буде точно відновити в тому випадку, якщо його дискретизація була виконана з частотою, що перевищує 2fh. Це граничне значення відоме під назвоючастота Найквіста.
Доказ теореми можна просто проілюструвати. Припустимо,є круглий диск зі стрілкою, яка обертається за годинниковою стрілкою зі швидкістюnобертів на секунду. Припустимо також, що це обертання оцифровується з різною частотою дискретизації 4n.n. 4/3n. 2nразів на секунду.
Подивившись ролики (рис. 2.7), можна побачити, що при частоті дискретизації 4n. яка більша за частоту Найквіста, диск обертається за годинниковою стрілкою, як нам і треба. При дискретизації із частотою 4n/3 здається, що стрілка обертається проти годинникової стрілки зі швидкістюn/3. А якщо виконувати дискретизацію руху нашого диска з частотою, що дорівнює 2n. то можна не визначити, в який бік обертається стрілка, оскільки вона буде або вгорі, або внизу.
Висновок. частота дискретизації має перевищувати частоту Найквіста.
Bard - Довідка
Початкові відомості про звукові хвилі
Гармоніка- це синусоїдальне коливання:
Графік показує, як змінюється повітряний тиск на барабанну перетинку слухача: вгору і вниз дугою, періодично. Повітря тисне то сильніше, то слабше. Сила впливу зовсім невелика, і коливання відбуваються дуже швидко: сотні та тисячі поштовхів кожну секунду. Такі періодичні коливання ми сприймаємо як звук.
Додавання двох різних гармонік дає коливання складнішої форми:
Сума трьох гармонік - ще складніше, а природні, природні звуки та звуки музичних інструментів складаються з великої кількості гармонік, і в сумі може вийти щось на кшталт цього:
У такій сумі може бути невизначено багато гармонік, але серед них помітний (на слух) вклад роблять лише деякі, найсильніші (найгучніші). Тому при аналізі розумно обмежуватичисло гармонік сотнями, можливо, тисячами. Набір гармонік, виділених із звукового коливання - цеспектр. Виглядає він приблизно так (по горизонталі – частота, по вертикалі – амплітуда гармоніки):
Кожна гармоніка характеризується трьома параметрами: амплітудою, частотою та фазою.
Амплітуда- це розмах коливань. Чим більший розмах, тим сильніший вплив на барабанну перетинку, і тим гучніший звук, який ми чуємо. Амплітуда може вимірюватися кількома способами:
З цих одиниць перші три наочніші, коли дивишся графік коливань. А децибели ближчі до того, як це сприймається на слух. Якщо прийняти за 0 дБ максимальну гучність у звичайних комп'ютерних навушниках, то -30 дБ - це приблизно такий рівень гучності, який можна ледве почути при регуляторі гучності, виведеному на максимум. При рівномірному зміні амплітуди від 0 до -30 дБ, суб'єктивно (слух) гучність теж змінюється рівномірно, хоча насправді - по експоненті. Це особливість фізіології слуху (закон Фехнера).
Частотаколивань - другий параметр гармоніки. Частота показує, скільки поштовхів тиску повітря відбувається за секунду. Як завжди, частота вимірюється в Герцах (Гц) або кілогерцях (кГц). кГц = 1000 Гц.
Людина може почути гармоніку з частотою від 20 Гц до 20 кГц (можуть бути невеликі індивідуальні відмінності). Цей діапазон називається звуковим. Все, що нижче - це інфразвук, все, що вище - ультразвук. Ультразвук та інфразвук людина не чує принаймні як звуки. Якщо інфразвук або ультразвук має дуже велику потужність (гучність), то він може фізично впливати на організм. На жаль, важко знайти достовірні матеріали про ефекти такого впливу, а легенд на цю темуходить дуже багато. Крім того, інфразвукові або ультразвукові коливання можуть викликати вторинні коливання будь-яких предметів вже в звуковому діапазоні (якесь деренчання), і тоді ці вторинні коливання будуть чутні.
Великі частоти сприймаються як високі тонкі звуки. Вище 10 кГц – писк, свист. Маленькі частоти сприймаються як низькі , басові звуки, гуркіт. Звичайні частоти гармонік чоловічого голосу – нижче, жіночого – вище, дитячого – ще вище.
Крім частоти, можуть застосовуватися інші одиниці виміру, які однозначно пов'язані з частотою – це період коливань та висота.
Періодколивань (T) - це просто величина, обернена до частоти (f):
Висотапов'язана з музичним записом, нотами. Висота може бути обчислена за формулами:
f = 440.0 * 2 (12 V + N - 57) / 12
- де f - частота, V - номероктавивід 0 до 9, N - номернотивід 0 до 11. Можна виконати і зворотне перетворення з частоти номер ноти і октави:
12 V + N = 12 * log2 (f / 440.0) + 57
Зрозуміло, що для довільно заданої частоти f може не знайти цілих чисел V, N. Тоді говорять провідхиленнячастоти від найближчої ноти.
Для розуміння багатьох аспектів роботи зі звуком знання музичних нот необов'язкове. Досить розуміння, що октава і нота - це два числа, два номери, які за формулою дають частоту. У музиці кожна нота та октава мають власну унікальну назву, але при обчисленнях зручніше працювати з номерами.
Зверніть увагу, що тут рівномірне підвищення номера ноти викликає експоненційне зростання частоти. Це також пов'язано із біологією слуху. При рівномірному зміні ноти висота підвищується приблизно рівномірно, якщо судити суб'єктивно, слух.
Призбільшення номера ноти на 1 частота збільшується в Q = (2 1/12 ) раз. Таке збільшення частоти в Q разів називається підвищенням нанапівтон, а зменшення в Q разів - зниженням на півтон. Зміна частоти в x разів відповідає зміні висоти на logQ x півтонів.
Отже, півтон - це відносна одиниця зміни частоти, тобто. вона не величину частоти в герцах, а співвідношення між двома частотами. 12-кратне зміна частоти Q разів дає у сумі 2-кратное зміна частоти. Зміну частоти в 2 рази називають зміною на однуоктаву. Зверніть увагу, що словом октава називають номер для обчислення частот, і відносну одиницю вимірювання частоти.
І є ще дві одиниці виміру:тон(2 півтони) іцент(1/100 півтони).
Джерела: http://www.5byte.ru/9/0009.php, http://audiorussia.ru/stati/zvukozapis/chastota-diskretizatsii-i-razryadnost.html, http://www.astro.tsu. ru/MT/text/2_2.html, http://psi-logic.narod.ru/bard/help/waves.htm
Як подолати страх перед публікою
Як подолати страх перед публікоюЯК ПОДОЛАТИ СТРАХ, 6 ЕФЕКТИВНИХ СПОСОБІВСтрах — це природна реакція, обумовлена оточенням. Ми.