Представление звуковой информации

Методы работы со звуковой информацией разрабатывались позже других. Множество отдельных компаний разработали свои корпоративные стандарты, но среди них можно выделить два основных направления.

Метод FM (Frequency Modulation) основан та том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а, следовательно, может быть описан числовыми параметрами, т.е. кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, т.е. являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют устройства - аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом характерным для электронной музыки. Но данный метод копирования обеспечивает компактный код, поэтому он нашёл применение на маломощных ЭВМ.

Метод таблично волнового (Wave-Table) синтеза более современен. В заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов. В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звучания. Поскольку в качестве образцов исполняются реальные звуки, то его качество получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.

Самая старая из известных звукозаписей была сделана 9 апреля 1860 года парижским изобретателем Эдуардом-Леоном Скоттом де Мартенвилем с помощью устройства, называемого «фоноавтограф».

В зависимости от сохранения, выделяют два основных вида записи звуков: аналоговый и цифровой.

Аналоговая Звукозапись подразумевает запись звуков на физический носитель таким образом, чтобы устройство воспроизведения производило колебания и создавало звуковые волны аналогичные тем, что были получены при сохранении. Можно выделить:

Механическая Звукозапись - записываемый звук воздействует через рупор на мембрану, жёстко связанную с резцом. При воспроизведении игла, двигающаяся по канавке, передаёт колебания на упругую мембрану, которая излучает звук. Звук усиливался при помощи рупора конической формы: Фоноавтограф (1857), Фонограф (1878), Граммофон (1887), Патефон (1907)

Электромеханическая запись - записываемые звуковые колебания преобразуются микрофоном в соответствующие электрические токи, воздействующие после их усиления на электромеханический преобразователь - рекордер, который превращает переменные электрические токи посредством магнитного поля в соответствующие механические колебания резца.  Электрофон (1925)

Магнитная звукозапись запись производится с помощью записывающей магнитной головки, создающей переменное магнитное поле на участке движущегося носителя, обладающего магнитными свойствами. На ферромагнитном слое носителя остается след остаточного намагничивания. След и есть дорожка фонограммы. При воспроизведении магнитная головка преобразует остаточный магнитный поток движущегося носителя записи в электрический сигнал звуковой частоты. · Магнитофон (1932)

Цифровая звукозапись: от источника через микрофон, АЦП, процессор, ЦАП, громкоговоритель и снова в звук. Под цифровой записью понимают оцифровку и сохранение звука в виде набора бит (битовой последовательности), который описывает воспроизведение тем или иным устройством.

Магнитооптическая запись - осуществляется по следующей технологии: излучение лазера изменяет намагниченность, создавая отпечатки на оптических дисках. Считывание осуществляется тем же самым лазером, но на меньшей мощности: поляризованный лазерный луч проходит сквозь материал диска, отражается от подложки, проходит сквозь оптическую систему и попадает на датчик· Минидиск (MD) (1992), Hi-MD (2004)

Лазерная запись - при записи данные записываются на диск лучом лазера повышенной мощности, чтобы физически «прожечь» органический краситель записывающего слоя изменяя отражательную способность «прожжённой» зоны. Чередующиеся светлые и тёмные участки дорожки порождают изменение светового потока отражённого луча и переводятся в изменение электрического сигнала, который далее и преобразуется в биты информации электрической системой привода. Звуковой компакт-диск (1982) (CD), DTS (1993) - фонограмма к фильмокопии на отдельном компакт-диске, DVD-Audio (1999) (DVD-A), SACD (1998) (Super audio compact disc, супераудиокомпакт-диск)

Оптическая цифровая запись звука - звуковое сопровождение к фильму печатается непосредственно на 35-мм киноплёнку оптическим методом в цифровом закодированном виде. При воспроизведении цифровой сигнал считывается специальной насадкой на кинопроектор и затем декодируется процессором в многоканальную фонограмму. DolbyDigital (1992), SDDS (1993) (SonyDynamicDigitalSound)

Оцифровка звука

Формат представления звуковых данных в цифровом виде зависит от способа квантования аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). В звукотехнике в настоящее время наиболее распространены два вида квантования: импульсно-кодовая модуляция и сигма-дельта-модуляция.

Зачастую разрядность квантования и частоту дискретизации указывают для различных звуковых устройств записи и воспроизведения как формат представления цифрового звука (24 бита/192 кГц; 16 бит/48 кГц).

Формат файла определяет структуру и особенности представления звуковых данных при хранении на запоминающем устройстве ПК. Для устранения избыточности аудиоданных используются аудиокодеки, при помощи которых производится сжатие аудиоданных. Выделяют три группы звуковых форматов файлов:

аудиоформаты без сжатия, такие как WAV, AIFF

аудиоформаты со сжатием без потерь (APE, FLAC)

аудиоформаты со сжатием с потерями (MP3, Ogg)

Модульные музыкальные форматы файлов, созданные синтетически или из семплов заранее записанных живых инструментов, они в основном служат для создания современной электронной музыки (MOD). Также сюда можно отнести формат MIDI, который не является звукозаписью, но с помощью секвенсора позволяет записывать и воспроизводить музыку, используя определённый набор команд в текстовом виде.

Запись звуковых данных производится в файл определенного формата, который сохраняется на электронных звуковых носителях (Нотные: MIDI (1982))

Алгебра логики

Кроме обычной алгебры существует специальная, основы которой были заложены английским математиком XIX века Дж. Булем. Эта алгебра занимается так называемым исчислением высказываний. Алгебра логики – раздел математики, изучающий высказывания, рассматриваемые со стороны их логических значений (истинности или ложности) и логических операций над ними.

Логическое высказывание - любое повествовательное предложение, в отношении которого однозначно можно сказать, истинно оно или ложно.

Особенностью алгебры логики является применимость для описания работы так называемых дискретных устройств, к числу которых принадлежит целый класс устройств автоматики и вычислительной техники.

Рассмотрим некоторую схему и представим ее в виде так называемого "черного" ящика.

Будем считать, что внутреннее содержимое ящика неизвестно.

X₁, X₂, X₃ – входные сигналы, F – выходной сигнал.

Считаем также, что схема А – элементарная, т.е. нет другой схемы Б, меньшей, чем А, которая бы содержалась в А.

Построим абстрактное устройство из элементарных устройств, типа А, Б, В и т.д. Очевидно, более сложное устройство можно построить из простых путем:

1. последовательного соединения элементов;

2. параллельного соединения;

3. перестановки входов элементов.

Параллельное соединение элементов не меняет функции, поэтому, с точки зрения логики, этот тип соединения не используется. Физически иногда все же применяют параллельное соединение элементов, но в основном для того, чтобы, например, усилить сигнал.

Оставшимся двум физическим приемам в алгебре логики соответствуют:

1. принцип суперпозиции (подстановка в функцию вместо ее аргументов других функций);

2. подстановка аргументов (изменение порядка записи аргументов функций или замена одних аргументов функции другими).

Итак, физическая задача построения и анализа работы сложного устройства заменяется математической задачей синтеза и анализа соответствующих функций алгебры логики.

Существует несколько синонимов по отношению к функциям алгебры логики:

1. функции алгебры логики (ФАЛ);

2. переключательные функции;

3. булевские функции;

4. двоичные функции.