Кодування звукової інформації. Підготовка до ЄДІ. Найкращі формати музики за якістю звучання Мінімальна та максимальна якість звуку

Основними параметрами, що впливають на якість цифрового звукозапису, є:

§ Розрядність АЦП та ЦАП.

§ Частота дискретизації АЦП та ЦАП.

§ Джиттер АЦП та ЦАП

§ Передискретизація

Також важливими залишаються параметри аналогового тракту цифрових пристроїв звукозапису та звуковідтворення:

§ Відношення сигнал/шум

§ Коефіцієнт нелінійних спотворень

§ Інтермодуляційні спотворення

§ Нерівномірність амплітудно-частотної характеристики

§ Взаємопроникнення каналів

§ Динамічний діапазон

Техніка цифрового звукозапису

Запис цифрового звукув даний час здійснюється на студіях звукозапису, під керуванням персональних комп'ютерів та іншої дорогої та якісної апаратури. Також досить широко розвинене поняття «домашньої студії», в якій застосовується професійне та напівпрофесійне звукозаписне обладнання, що дозволяє створювати якісні записи в домашніх умовах.

Застосовуються звукові картиу складі комп'ютерів, які проводять обробку у своїх АЦП і ЦАП - найчастіше у 24 бітах і 96 кГц, подальше підвищення бітності та частоти дискретизації, практично не збільшує якості запису.

Існує цілий клас комп'ютерних програм - звукових редакторів, які дозволяють працювати зі звуком:

§ записувати вхідний звуковий потік

§ створювати (генерувати) звук

§ змінювати існуючий запис(Додавати семпли, змінювати тембр, швидкість звуку, вирізати частини і т.п.)

§ перезаписувати з одного формату в інший

§ конвертувати конвертувати різні аудіокодеки

Деякі прості програми, дозволяють здійснювати лише конвертацію форматів та кодеків.

Різновиди цифрових аудіоформатів

Існують різні поняття звукового формату.

Формат представлення звукових даних у цифровому вигляді залежить від способу квантування цифроаналоговим перетворювачем (ЦАП). У звукотехніці нині найбільш поширені два види квантування:

§ імпульсно-кодова модуляція

§ сигма-дельта-модуляція

Найчастіше розрядність квантування та частоту дискретизації вказують для різних звукових пристроїв запису та відтворення як формат представлення цифрового звуку (24 біта/192 кГц; 16 біт/48 кГц).

Формат файлу визначає структуру та особливості представлення звукових даних при зберіганні на пристрої ПК. Для усунення надмірності аудіо даних використовуються аудіокодеки, за допомогою яких здійснюється стиснення аудіоданих. Виділяють три групи звукових форматів файлів:

§ аудіоформати без стиснення, такі як WAV, AIFF

§ аудіоформати зі стисненням без втрат (APE, FLAC)

§ аудіоформати, із застосуванням стиснення із втратами (mp3, ogg)

Окремо стоять модульні музичні формати файлів. Створені синтетично або із семплів заздалегідь записаних живих інструментів, вони в основному служать для створення сучасної електронної музики (MOD). Також сюди можна віднести формат MIDI, який не є звукозаписом, але за допомогою секвенсора дозволяє записувати і відтворювати музику, використовуючи певний набір команд у текстовому вигляді.

Формати носіїв цифрового звуку застосовують як масового поширення звукових записів (CD, SACD), і у професійної звукозапису (DAT, мінідиск).

Для систем просторового звучання можна виділити формати звуку, переважно є звуковим багатоканальним супроводом до кінофільмів. Такі системи мають цілі сімейства форматів від двох великих конкуруючих компаній Digital Theater Systems Inc. - DTS та Dolby Laboratories Inc. - Dolby Digital.

Також форматом називають кількість каналів у системах багатоканального звуку (5.1; 7.1). Спочатку така система була розроблена для кінотеатрів, але згодом була розширена Програмний кодек

Аудіокодек на програмному рівні

§ G.723.1 - один із базових кодеків для додатків IP-телефонії

§ G.729 - патентований вузькосмуговий кодек, який застосовується для цифрового подання мови

§ Internet Low Bitrate Codec (iLBC) - популярний вільний кодек для IP-телефонії (зокрема, для Skype та Google Talk)

Аудіокодек(англ. Audio codec; аудіо кодер/декодер) - комп'ютерна програма або апаратний засібпризначене для кодування або декодування аудіоданих.

Програмний кодек

Аудіокодек на програмному рівніє спеціалізованою комп'ютерною програмою, кодеком, який стискає (виробляє компресію) або розтискає (виробляє декомпресію) цифрові звукові дані відповідно до файлового звукового формату або потокового звукового формату. Завдання аудіокодека як компресора полягає у наданні аудіосигналу із заданою якістю/точністю та мінімально можливим розміром. Завдяки стиску зменшується обсяг простору, необхідного для зберігання аудіоданих, а також можливо знизити смугу пропускання каналу, яким передаються аудіодані. Більшість аудіокодеків здійснено як програмні бібліотеки, які взаємодіють з одним або декількома аудіоплеєрами, такими як QuickTime Player, XMMS, Winamp, VLC Media Player, MPlayer або Windows Media Player.

Популярні програмні аудіокодеки з областей застосування:

§ MPEG-1 Layer III (MP3) - пропрієтарний кодек аудіозаписів (музика, аудіокниги тощо) для комп'ютерної технікита цифрових програвачів

§ Ogg Vorbis (OGG) - другий за популярністю формат, широко використовується в комп'ютерних іграхта у файлообмінних мережах для передачі музики

§ GSM-FR - перший цифровий стандарт кодування мови, використаний у телефонах GSM

§ Adaptive multi rate (AMR) - запис людського голосу в мобільних телефонахта інших мобільних пристроях

Людське вухо сприймає звук із частотою від 20 коливань за секунду (низький звук) до 20 000 коливань за секунду (високий звук).

Людина може сприймати звук у величезному діапазоні інтенсивностей, у якому максимальна інтенсивність більша за мінімальну в 10 14 разів (в сто тисяч мільярдів разів). Для вимірювання гучності звуку застосовується спеціальна одиниця "децибел"(Дбл) (табл. 5.1). Зменшення або збільшення гучності звуку на 10 дБл відповідає зменшенню або збільшенню інтенсивності звуку в 10 разів.

Тимчасова дискретизація звуку.Для того, щоб комп'ютер міг обробляти звук, безперервний звуковий сигналповинен бути перетворений на цифрову дискретну форму за допомогою тимчасової дискретизації. Безперервна звукова хвиля розбивається деякі маленькі часові ділянки, кожному за такої ділянки встановлюється певна величина інтенсивності звуку.

Отже, безперервна залежність гучності звуку від часу A(t) замінюється дискретну послідовність рівнів гучності. На графіку це виглядає як заміна гладкої кривої на послідовність "сходинок" (рис. 1.2).

Мал. 1.2. Тимчасова дискретизація звуку

Частота дискретизації.Для запису аналогового звуку і г го перетворення на цифрову форму використовується мікрофон, підключений до звукової плати. Якість отриманого цифрового звуку залежить кількості вимірювань рівня гучності звуку за одиницю часу, тобто. частоти дискретизації. Чим більше вимірювань проводиться за I секунду (що більше частота дискретизації), то точніше "драбинка" цифрового звукового сигналу повторює криву діалогового сигналу.

Частота дискретизації звуку- це кількість вимірювань гучності 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 присвоюється 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 потрібна 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 надається свій 16-бітовий двійковий код, найменшому рівню звуку буде відповідати код 0000000000000000, а найбільшому - 11111111111111111.

Якість оцифрованого звуку.Чим більша частота і глибина дискретизації звуку, тим якіснішим буде звучання оцифрованого звуку. Найнижча якість оцифрованого звуку, що відповідає якості телефонного зв'язку, Виходить при частоті дискретизації 8000 разів на секунду, глибині дискретизації 8 бітів і запису однієї звукової доріжки (режим "моно"). Найвища якість оцифрованого звуку, що відповідає якості аудіо-CD, досягається при частоті дискретизації 48 000 разів на секунду, глибині дискретизації 16 бітів та запису двох звукових доріжок (режим "стерео").

Необхідно пам'ятати, що якість цифрового звуку, то більше вписувалося інформаційний обсяг звукового файла. 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.

Звукові редактори.Звукові редактори дозволяють не лише записувати та відтворювати звук, а й редагувати його. Оцифрований звук подається в звукових редакторах у наочній формі, тому операції копіювання, переміщення та видалення частин звукової доріжки можна легко здійснювати за допомогою миші. Крім того, можна накладати звукові доріжки один на одного (мікшувати звуки) та застосовувати різні акустичні ефекти (відлуння, відтворення у зворотному напрямку та ін.).

Звукові редактори дозволяють змінювати якість цифрового звуку та об'єм звукового файлу шляхом зміни частоти дискретизації та глибини кодування. Оцифрований звук можна зберігати без стиснення у звукових файлах в універсальному форматі WAVабо у форматі зі стисненням МР3.

При збереженні звуку у форматах зі стисненням відкидаються "надлишкові" для людського сприйняття звукові частоти з малою інтенсивністю, що збігаються за часом 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).

Контрольні питання

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 бітів; 2) 256 бітів; 3) 1 біт; 4) 8 бітів.

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 мінімальне та максимальна якістьзвуку:
а) моно, 8 бітів, 8000 вимірів на секунду;
б) стерео, 16 бітів, 48 000 вимірів на секунду.

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 вимірювань за секунду;
б) за високій якостізвуку: стерео, 16 бітів, 48 000 вимірів на секунду.

Ціль.Осмислити процес перетворення звукової інформації, засвоїти поняття необхідні підрахунку обсягу звукової інформації. Навчитися вирішувати завдання на тему.

Ціль-мотивація.Підготовка до ЄДІ.

План уроку

1. Перегляд презентації на тему з коментарями вчителя.Додаток 1

Матеріал презентації: кодування звукової інформації.

З початку 90-х років персональні комп'ютериотримали можливість працювати зі звуковою інформацією. Кожен комп'ютер, що має звукову плату, мікрофон та колонки, може записувати, зберігати та відтворювати звукову інформацію.

Процес перетворення звукових хвиль на двійковий код у пам'яті комп'ютера:

Процес відтворення звукової інформації, збереженої у пам'яті ЕОМ:

Звукявляє собою звукову хвилю з амплітудою і частотою, що безперервно змінюється. Чим більше амплітуда, тим голосніше для людини, що більше частота сигналу, то вище тон. Програмне забезпечення комп'ютера в даний час дозволяє безперервний звуковий сигнал перетворювати на послідовність електричних імпульсів, які можна представити в двійковій формі. У процесі кодування безперервного звукового сигналу здійснюється його тимчасова дискретизація . Безперервна звукова хвиля розбивається на окремі маленькі часові ділянки, причому для кожної такої ділянки встановлюється певна величина амплітуди.

Таким чином, безперервна залежність амплітуди сигналу від часу A(t)замінюється на дискретну послідовність рівнів гучності. На графіку це виглядає як заміна гладкої кривої на послідовність «сходинок». Кожній «сходинці» надається значення рівня гучності звуку, його код (1, 2, 3 і так

далі). Рівні гучності звуку можна розглядати як набір можливих станів, відповідно, чим більше рівнів гучності буде виділено в процесі кодування, тим більша кількість інформації нестиме значення кожного рівня і тим якіснішим буде звучання.

Аудіоадаптер (звукова плата) - спеціальний пристрій, що підключається до комп'ютера, призначений для перетворення електричних коливань звукової частоти в числовий двійковий код під час введення звуку та для зворотного перетворення (з числового коду в електричні коливання) при відтворенні звуку.

У процесі запису звуку аудіоадаптер із певним періодом вимірює амплітуду електричного струмуі заносить у регістр двійковий код отриманої величини. Потім отриманий код з регістру переписується на оперативну пам'ять комп'ютера. Якість комп'ютерного звуку визначається характеристиками аудіоадаптера:

• Частотою дискретизації
• Розрядністю (глибина звуку).

Частота тимчасової дискретизації

Ця кількість вимірів вхідного сигналу за 1 секунду. Частота вимірюється у герцах (Гц). Один вимір за секунду відповідає частоті 1 Гц. 1000 вимірів за 1 секунду – 1 кілогерц (кГц). Характерні частоти дискретизації аудіоадаптерів:

11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц та ін.

Розрядність регістру (глибина звуку) – число біт у регістрі аудіоадаптера, задає кількість можливих рівнів звуку.

Розрядність визначає точність виміру вхідного сигналу. Чим більша розрядність, тим менша похибка кожного окремого перетворення величини електричного сигналу в число і назад. Якщо розрядність дорівнює 8 (16) то при вимірюванні вхідного сигналу може бути отримано 2 8 = 256 (2 16 = 65536) різних значень. Очевидно, 16-розрядний аудіоадаптер точніше кодує і відтворює звук, ніж 8-розрядний. Сучасні звукові карти забезпечують 16-розрядну глибину кодування звуку. Кількість різних рівнів сигналу (станів при даному кодуванні) можна розрахувати за такою формулою:

N = 2 I = 2 16 = 65 536, де I - глибина звуку.

Таким чином, сучасні звукові карти можуть забезпечити кодування рівнів 65536 сигналу. Кожному значенню амплітуди звукового сигналу надається 16-бітовий код. При двійковому кодуванні безперервного звукового сигналу він замінюється послідовністю дискретних рівнів сигналу. Якість кодування залежить від кількості вимірювань рівня сигналу за одиницю часу, тобто частоти дискретизаціїЧим більше вимірювань проводиться за 1 секунду (що більше частота дискретизації тим точніше процедура двійкового кодування).

Звуковий файл -файл, що зберігає звукову інформацію у числовій двійковій формі.

2. Повторюємо одиниці виміру інформації

1 байт = 8 біт

1 Кбайт = 2 10 байт = 1024 байт

1 Мбайт = 2 10 Кбайт = 1024 Кбайт

1 Гбайт = 2 10 Мбайт = 1024 Мбайт

1 Тбайт = 2 10 Гбайт = 1024 Гбайт

1 Пбайт = 2 10 Тбайт = 1024 Тбайт

3. Закріпити вивчений матеріал, переглянувши презентацію, підручник

4. Розв'язання задач

Підручник , показ рішення на презентації.

Завдання 1.Визначити інформаційний обсяг стерео аудіо файлу тривалістю звучання 1 секунда за високої якості звуку (16 бітів, 48 кГц).

Завдання (самостійно).Підручник , показ рішення на презентації.
Визначити інформаційний обсяг цифрового аудіофайла тривалістю звучання якого становить 10 секунд при частоті дискретизації 22,05 кГц і роздільній здатності 8 бітів.

5. Закріплення. Вирішення завдань вдома, самостійно на наступному уроці

Визначити обсяг пам'яті для зберігання цифрового аудіофайлу, час звучання якого становить дві хвилини при частоті дискретизації 44,1 кГц та роздільній здатності 16 біт.

У розпорядженні користувача є пам'ять об'ємом 2,6 Мб. Необхідно записати цифровий аудіофайл із тривалістю звучання 1 хвилина. Якою має бути частота дискретизації та розрядність?

Об'єм вільної пам'яті на диску – 5,25 Мб, розрядність звукової плати – 16. Яка тривалість звучання цифрового аудіофайлу, записаного з частотою дискретизації 22,05 кГц?

Одна хвилина запису цифрового аудіофайлу займає на диску 1,3 Мб, розрядність звукової плати – 8. З якою частотою дискретизації записано звук?

Який обсяг пам'яті потрібен для зберігання цифрового аудіофайлу із записом високої якості за умови, що час звучання становить 3 хвилини?

Цифровий аудіофайл містить запис звуку низької якості (звук похмурий та приглушений). Якою є тривалість звучання файлу, якщо його обсяг становить 650 Кб?

Дві хвилини записування цифрового аудіофайлу займають на диску 5,05 Мб. Частота дискретизації – 22 050 Гц. Яка розрядність аудіоадаптера?

Об'єм вільної пам'яті на диску – 0,1 Гб, розрядність звукової плати – 16. Яка тривалість звучання цифрового аудіофайлу, записаного з частотою дискретизації 44 100 Гц?

Відповіді

№ 92. 124,8 секунд.

№ 93. 22,05 кГц.

№ 94. Висока якість звучання досягається при частоті дискретизації 44,1 кГц та розрядності аудіоадаптера, що дорівнює 16. Необхідний об'єм пам'яті – 15,1 Мб.

№ 95. Для похмурого та приглушеного звуку характерні такі параметри: частота дискретизації – 11 кГц, розрядність аудіоадаптера – 8. Тривалість звучання дорівнює 60,5 с.

№ 96. 16 бітів.

№ 97. 20,3 хвилини.

Література

1. Підручник: Інформатика, задачник-практикум 1 том, за редакцією І.Г.Семакіна, Є.К. Хеннера)

2. Фестиваль педагогічних ідей «Відкритий урок» Звук. Двійкове кодування звукової інформації. Супрягіна Олена Олександрівна, учитель інформатики.

3. Н. Угрінович. Інформатика та інформаційні технології. 10-11 класи. Москва. Біном. Лабораторія знань 2003 року.

Існує три основні типи аудіоцифри:

• формат - без стиснення;
• формат (lossy) - стиск із втратами;
• формат (lossless) - стиск без втрат.

Lossy - стиск із втратами: технологія при якій відбувається значне зменшення кодованого файлу в порівнянні з вихідним оригіналом, за рахунок вилучення інформації, що не сприймається людським слухом.

Мінусом даної технології є той факт, що стислий файл ніколи не буде ідентичним до оригінального.

Список найпоширеніших lossy-форматів:

• AAC (.m4a, .mp4, .m4p, .aac) - Advanced Audio Coding (часто в контейнері MPEG-4)
• MP2 (MPEG Layer 2)
• MP3 (MPEG Layer 3)
• MPC (відомий як Musepack, раніше носив імена MPEGplus або MP+)
• Ogg Vorbis
• WMA (Windows Media Audio)

Lossless - аудіо-формати зі стиском без втрат, до них відносяться:

• FLAC (Free Lossless Audio Codec)
• APE (Monkey's Audio)
• WV (WavPack)

Дані формати здатні перетворити CD на цифровий формат зі збереженням якості. Як приклад ви можете взяти CD, перетворити його на WAV, далі формат WAV у FLAC, потім назад із FLAC на WAV, після чого записати на чистий CD диск і у вас вийде абсолютно ідентична копія вашого вихідника.

У якому форматі музика звучить найбільш якісно

Найбільш популярним є lossless формат FLAC, а однією з найпоширеніших програм для перетворення CD у формат FLAC є EAC (Exact Audio Copy).

З усіх параметрів цифрового аудіо необхідно звертати увагу насамперед на наступні показники:

частота дискретизації (точність оцифрування аналогового сигналу за часом),
бітрейт (кількість інформації, що міститься у файлі, в перерахунку на секунду).

Частота дискретизації – це частота, з якою відбувається обробка цифрового аудіо. Найбільш поширена частота дискретизації у якісних аудіо форматах 44.1 кГц

Вважають, що високий бітрейт гарантує Краща якість- Це правильно, але тільки за умови якісного вихідного файлу. Якісний MP3 має бути з бітрейтом 320 kbps, а ось якісний формат FLAC зазвичай має бітрейт від 900 і вище за kbps.

Який найкращий формат музики за якістю

Крім самих форматів аудіо, для якісного звучання музики необхідна якісна апаратура для відтворення: колонки, підсилювачі, навушники. Тобто використовуючи настільні колонки для пк і бюджетні навушники вам не вдасться повною мірою насолодитися якісним звуком і розкрити весь потенціал lossless форматів.

Не вдаючись глибоко у технічні подробиці, можна порадити такі формати:

Для домашнього прослуховування рекомендую на мою думку найкращий формат FLAC. Для аудіо плеєра гарним рішеннямбуде формат MP3 з бітрейтом не нижче 320 kbps. Особисто я використовую на всіх пристроях тільки формат FLAC, благо обсяги microSD картдозволяють зберігати достатній обсяг даних у програвачі.

Щодо апаратури для якісного відтворення музики, то раджу звернути увагу на наступні бренди:

Якщо бюджетна акустикавас не влаштовує і ви шанувальник якісного звучання (Hi-Fi або Hi-End) апаратури, то тут все у ваших руках і обмежено лише вашим бюджетом, рекомендації не даватиму.

Кодування звукової інформації.

Типи завдань:

1. Розмір цифрового аудіофайлу (моно та стерео).

При вирішенні завдань учні спираються такі поняття:

Тимчасова дискретизація –процес, у якому, під час кодування безперервного звукового сигналу, звукова хвиля розбивається деякі маленькі тимчасові ділянки, причому кожної такої ділянки встановлюється певна величина амплітуди. Чим більше амплітуда сигналу, тим гучніший звук.

Глибина звуку (глибина кодування)кількість бітів на кодування звуку.

Рівні гучності (рівні сигналу)- звук може мати різні рівні гучності. Кількість різних рівнів гучності розраховуємо за формулою N= 2 I деI- Глибина звуку.

Частота дискретизації -кількість вимірювань рівня вхідного сигналу за одиницю часу (за 1 сек). Чим більша частота дискретизації, тим точніше процедура двійкового кодування. Частота вимірюється у герцах (Гц). 1 вимірювання за 1 секунду -1 ГЦ.

1000 вимірів за 1 секунду 1 кГц. Позначимо частоту дискретизації буквоюD. Для кодування вибирають одну із трьох частот:44,1 КГц, 22,05 КГц, 11,025 КГц.

Вважається, що діапазон частот, які чує людина, становить від 20 Гц до 20 кГц.

Якість двійкового кодування –величина, яка визначається глибиною кодування та частотою дискретизації.

Аудіоадаптер (звукова плата) –пристрій, що перетворює електричні коливання звукової частоти в числовий двійковий код при введенні звуку і назад (з числового коду електричні коливання) при відтворенні звуку.

Характеристики аудіоадаптера:частота дискретизації та розрядність регістру.).

Розрядність регістру -число біт у регістрі аудіоадаптера. Чим більша розрядність, тим менша похибка кожного окремого перетворення величини електричного струму в число і назад. Якщо розрядність дорівнює I, то при вимірюванні вхідного сигналу може бути отримано 2I = N різних значень.

Розмір цифрового моноаудіофайлу (A) вимірюється за формулою:

A= D* T* I/8 , деD – частота дискретизації (Гц),T– час звучання або запису звуку,Iрозрядність регістру (дозвіл). За цією формулою розмір вимірюється у байтах.

Розмір цифрового стереоаудіофайлу (A) вимірюється за формулою:

A=2* D* T* I/8 , сигнал записаний для двох колонок, оскільки роздільно кодуються лівий та правий канали звучання.

Учням корисно видати таблицю 1, Що показує, скільки Мб займатиме закодована одна хвилина звукової інформації при різній частоті дискретизації:

1. Розмір цифрового файлу

Рівень "3"

1. Визначити розмір (в байтах) цифрового аудіофайлу, час звучання якого становить 10 секунд при частоті дискретизації 22,05 кГц та роздільній здатності 8 біт. Файл стиску не піддається. (Стор. 156, приклад 1)

Рішення:

Формула для розрахунку розміру (У байтах)цифрового аудіо-файлу: A= D* T* I/8.

Для перекладу байти отриману величину треба розділити на 8 біт.

22,05 кГц = 22,05 * 1000 Гц = 22050 Гц

A= D* T* I/8 = 22050 х 10 х 8/8 = 220500 байт.

Відповідь: розмір файлу 220 500 байт.

2. Визначити обсяг пам'яті для зберігання цифрового аудіофайлу, час звучання якого становить дві хвилини при частоті дискретизації 44,1 кГц та роздільній здатності 16 біт. (, Стор. 157, №88)

Рішення:

A= D* T* I/8. - Об'єм пам'яті для зберігання цифрового аудіофайлу.

44100 (Гц) х 120 (с) х 16 (біт) / 8 (біт) = байт = 10335,9375 Кбайт = 10,094 Мбайт.

Відповідь: ≈ 10 Мб

Рівень "4"

3. У розпорядженні користувача є пам'ять об'ємом 2,6 Мб. Необхідно записати цифровий аудіофайл із тривалістю звучання 1 хвилина. Якою має бути частота дискретизації та розрядність? (, Стор. 157, №89)

Рішення:

Формула для розрахунку частоти дискретизації та розрядності: D* I =А/Т

(об'єм пам'яті в байтах): (час звучання в секундах):

2, 6 Мбайт = 26 байт

D * I = А / Т = 26 байт: 60 = 45438,3 байт

D=45438,3 байт: I

Розрядність адаптера може бути 8 чи 16 біт. (1 байт або 2 байти). Тому частота дискретизації може бути або 45438,3 Гц = 45,4 кГц? 44,1 кГц–стандартна характерна частота дискретизації, чи 22719,15 Гц = 22,7 кГц ≈ 22,05 кГц- стандартна характерна частота дискретизації

Відповідь:

4. Об'єм вільної пам'яті на диску – 5,25 Мб, розрядність звукової плати – 16. Яка тривалість звучання цифрового аудіофайлу, записаного з частотою дискретизації 22,05 кГц? (, Стор. 157, №90)

Рішення:

Формула до розрахунку тривалості звучання: T=A/D/I

(Обсяг пам'яті в байтах) : (Частота дискретизації в Гц) : (Розрядність звукової плати в байтах):

5,25 Мбайт = 5505024 байт

5505024 байт: 22050 Гц: 2 байти = 124,8 сек
Відповідь: 124,8 секунди

5. Одна хвилина запису цифрового аудіофайлу займає на диску 1,3 Мб, розрядність звукової плати – 8. З якою частотою дискретизації записано звук? (, Стор. 157, №91)

Рішення:

Формула до розрахунку частоти дискретизації: D =А/Т/I

(об'єм пам'яті в байтах): (час запису в секундах): (розрядність звукової плати в байтах)

1,3 Мбайт = 18 байт

18 байт: 60: 1 = 22719,1 Гц

Відповідь: 22,05 кГц

6. Дві хвилини запису цифрового аудіофайлу займають на диску 5,1 Мб. Частота дискретизації – 22050 Гц. Яка розрядність аудіоадаптера? (, Стор. 157, №94)

Рішення:

Формула для розрахунку розрядності: (обсяг пам'яті в байтах): (час звучання в секундах): (частота дискретизації):

5, 1 Мбайт = 56 байт

56 байт: 120 сек: 22050 Гц = 2,02 байт = 16 біт

Відповідь: 16 біт

7. Об'єм вільної пам'яті на диску – 0,01 Гб, розрядність звукової плати – 16. Яка тривалість звучання цифрового аудіофайлу, записаного з частотою дискретизації 44100 Гц? (, Стор. 157, №95)

Рішення:

Формула до розрахунку тривалості звучання T=A/D/I

(Обсяг пам'яті в байтах) : (Частота дискретизації в Гц) : (Розрядність звукової плати в байтах)

0,01 Гб = ,24 байт

24 байт: 44100: 2 = 121,74 сек = 2,03 хв
Відповідь: 20,3 хвилини

8. Оцініть інформаційний обсяг моноаудіофайлу тривалістю звучання 1 хв. якщо "глибина" кодування та частота дискретизації звукового сигналу рівні відповідно:
а) 16 біт та 8 кГц;
б) 16 біт та 24 кГц.

(Стор. 76, №2.82)

Рішення:

а).
16 біт х 8000 = 128000 біт = 16000 байт = 15,625 Кбайт/с
15,625 Кбайт/с х 60 с = 937,5 Кбайт

б).
1) Інформаційний обсяг звукового файлу тривалістю 1 секунду дорівнює:
16 біт х = 384000 біт = 48000 байт = 46,875 Кбайт/с
2) Інформаційний обсяг звукового файлу тривалістю 1 хвилина дорівнює:
46,875 Кбайт/с х 60 с = 2812,5 Кбайт = 2,8 Мбайт

Відповідь: а) 937,5 Кбайт; б) 2,8 Мбайт

Рівень "5"

Використовується таблиця 1

9. Який обсяг пам'яті потрібен для зберігання цифрового аудіофайлу із записом звуку високої якості за умови, що час звучання становить 3 хвилини? (, Стор. 157, №92)

Рішення:

Висока якість звучання досягається при частоті дискретизації 44,1КГц та розрядності аудіоадаптера, що дорівнює 16.
Формула для розрахунку об'єму пам'яті: (час запису в секундах) x (розрядність звукової плати в байтах) x (частота дискретизації):
180 с х 2 х 44 100 Гц = байт = 15,1 Мб
Відповідь: 15,1 Мб

10. Цифровий аудіофайл містить запис звуку низької якості (звук похмурий та приглушений). Якою є тривалість звучання файлу, якщо його обсяг становить 650 Кб? (, Стор. 157, №93)

Рішення:

Для похмурого та приглушеного звуку характерні такі параметри: частота дискретизації – 11, 025 КГц, розрядності аудіоадаптера – 8 біт (див. таблицю 1). Тоді T=A/D/I. Перекладемо обсяг у байти: 650 Кб = 665 600 байт

Т=665600 байт/11025 Гц/1 байт ≈60.4 с

Відповідь: тривалість звучання дорівнює 60,5 с

Рішення:

Інформаційний обсяг звукового файлу тривалістю 1 секунду дорівнює:
16 біт хх 2 = 1 біт = 187,5 Кбайт (помножили на 2, оскільки стерео).

Інформаційний обсяг звукового файлу тривалістю 1 хвилина дорівнює:
187,5 Кбайт/с х 60 с ≈ 11 Мбайт

Відповідь: 11 Мб

Відповідь: а) 940 Кбайт; б) 2,8 Мбайт.

12. Розрахуйте час звучання моноаудіофайлу, якщо при 16-бітному кодуванні та частоті дискретизації 32 кГц його обсяг дорівнює:
а) 700 Кбайт;
б) 6300 Кбайт

(Стор. 76, №2.84)

Рішення:

а).
1) Інформаційний обсяг звукового файлу тривалістю 1 секунду дорівнює:

700 Кбайт: 62,5 Кбайт/с = 11,2 с

б).
1) Інформаційний обсяг звукового файлу тривалістю 1 секунду дорівнює:
16 біт х = 512000 біт = 64000 байт = 62,5 Кбайт/с
2) Час звучання моноаудіофайлу об'ємом 700 Кбайт дорівнює:
6300 Кбайт: 62,5 Кбайт/с = 100,8 с = 1,68 хв

Відповідь: а) 10 сек; б) 1,5 хв.

13. Обчислити скільки байт інформації займає на компакт-диску одна секунда стереозапису (частота 44032 Гц, 16 біт на значення). Скільки триває одна хвилина? Яка максимальна ємність диска (вважаючи максимальну тривалість 80 хвилин)? (, Стор. 34, вправа №34)

Рішення:

Формула для розрахунку обсягу пам'яті A= D* T* I:
(Час запису в секундах) * (Розрядність звукової плати в байтах) * (Частота дискретизації). 16 біт -2 байти.
1) 1с х 2 х 44032 Гц = 88064 байт (1 секунда стереозапису на компакт-диску)
2) 60с х 2 х 44032 Гц = 5283840 байт (1 хвилина стереозапису на компакт-диску)
3) 4800с х 2 х 44032 Гц = байт = 412800 Кбайт = 403,125 Мбайт (80 хвилин)

Відповідь: 88064 байт (1 секунда), 5283840 байт (1 хвилина), 403,125 Мбайт (80 хвилин)

2. Визначення якості звуку.

Для визначення якості звуку треба знайти частоту дискретизації та скористатися таблицею №1

рівнів інтенсивності сигналу – якість звучання радіотрансляції, використанням 65 рівнів інтенсивності сигналу – якість звучання аудіо-CD. Найякісніша частота відповідає музиці, записаній на компакт-диску. Розмір аналогового сигналу вимірюється у разі 44 100 разів на секунду.

Рівень "5"

13. Визначте якість звуку (якість радіотрансляції, середня якість, якість аудіо-CD), якщо відомо, що об'єм моноаудіофайлу тривалістю звучання в 10 сек. дорівнює:
а) 940 Кбайт;
б) 157 Кбайт.

(Стор. 76, №2.83)

Рішення:

а).
1) 940 Кбайт = 962560 байт = 7700480 біт
2) 7700480 біт: 10 сек = 770048 біт/с
3) 770048 біт/с: 16 біт = 48128 Гц -частота дискретизації - близька до найвищої 44,1 КГц
Відповідь: якість аудіо-CD

б).
1) 157 Кбайт = 160768 байт = 1286144 біт
2) 1286144 біт: 10 сек = 4 біт/с
3) 4 біт/с: 16 біт = 8038,4 Гц
Відповідь: якість радіотрансляції

Відповідь: а) якість CD; б) якість радіотрансляції.

14. Визначте тривалість звукового файлу, який вміститься на гнучкій дискеті 3,5”. Врахуйте, що для зберігання даних на такій дискеті виділяється 2847 секторів обсягом 512 байт.
а) при низькій якості звуку: моно, 8 біт, 8 кГц;
б) за високої якості звуку: стерео, 16 біт, 48 кГц.

(Стор. 77, №2.85)

Рішення:

а).

8 біт х 8 000 = біт = 8000 байт = 7,8 Кбайт/с
3) Час звучання моноаудіофайлу об'ємом 1423,5 Кбайт дорівнює:
1423,5 Кбайт: 7,8 Кбайт/с = 182,5 с ≈ 3 хв

б).
1) Інформаційний обсяг дискети дорівнює:
2847 секторів х 512 байт = 1457664 байт = 1423,5 Кбайт
2) Інформаційний обсяг звукового файлу тривалістю 1 секунду дорівнює:
16 біт хх 2 = 1 біт = байт = 187,5 Кбайт/с
3) Час звучання стереоаудіофайлу об'ємом 1423,5 Кбайт дорівнює:
1423,5 Кбайт: 187,5 Кбайт/с = 7,6 с

Відповідь: а) 3 хвилини; б) 7,6 секунд.

3. Двійкове кодування звуку.

Під час вирішення завдань користується наступним теоретичним матеріалом:

Для того, щоб кодувати звук, аналоговий сигнал, зображений на малюнку,

площина розбивається на вертикальні та горизонтальні лінії. Вертикальне розбиття - це дискретизація аналогового сигналу (частота вимірювання сигналу), горизонтальне розбиття - квантуванняза рівнем. Т. е. чим дрібніша сітка - тим якісніше наближений аналоговий звук за допомогою цифр. Восьмибітне квантування застосовується для оцифровки звичайної мови ( телефонної розмови) та радіопередач на коротких хвилях. Шістнадцятибітне – для оцифрування музики та УКХ (ультро-коротко-хвильові) радіопередач.

Рівень "3"

15. Аналоговий звуковий сигнал дискретизувався спочатку з використанням 256 рівнів інтенсивності сигналу (якість звучання радіотрансляції), а потім з використанням 65536 рівнів інтенсивності сигналу (якість звучання аудіо-CD). Скільки разів різняться інформаційні обсяги оцифрованого звуку? (Стор. 77, №2.86)

Рішення:

Довжина коду аналогового сигналу з використанням 256 рівнів інтенсивності сигналу дорівнює 8 біт, з використанням 65536 рівнів інтенсивності сигналу дорівнює 16 біт. Оскільки довжина коду одного сигналу збільшилася вдвічі, інформаційні обсяги оцифрованого звуку різняться вдвічі.

Відповідь: у 2 рази.

Рівень «4»

16. Відповідно до теореми Найквіста-Котельникова, щоб аналоговий сигнал можна було точно відновити за його дискретному уявленню(за його відліками), частота дискретизації повинна бути як мінімум удвічі більша за максимальну звукову частоту цього сигналу.

· Якою має бути частота дискретизації звуку, сприйманого людиною?

· Що має бути більше: частота дискретизації мови чи частота дискретизації звучання симфонічного оркестру?

Мета: познайомити учнів з характеристиками апаратних та програмних засобів роботи зі звуком. Види діяльності: залучення знань із курсу фізики (або робота з довідниками). (, Стор. ??, Завдання 2)

Рішення:

Вважається, що діапазон частот, які людина чує, становить від 20 Гц до 20 кГц. Таким чином, за теоремою Найквіста-Котельникова, щоб аналоговий сигнал можна було точно відновити за його дискретним поданням (за його відліками), частота дискретизації повинна бути як мінімум удвічі більшою за максимальну звукову частоту цього сигналу. Максимальна звукова частота, яку чує людина -20 КГц, означає апаратура і програмні засобиповинні забезпечувати частоту дискретизації щонайменше 40 кГц, а точніше 44,1 КГц. Комп'ютерна обробказвучання симфонічного оркестру передбачає вищу частоту дискретизації, ніж обробка мови, оскільки діапазон частот у разі симфонічного оркестру значно більше.

Відповідь: не менше 40 кГц, частота дискретизації симфонічного оркестру більша.

Рівень»5»

17. На малюнку зображено зафіксоване самописцем звучання 1 секунди мови. Закодуйте його в двійковому цифровому коді з частотою 10 Гц і довжиною 3 біта коду. (, Стор. ??, Завдання 1)

Рішення:

Кодування з частотою 10 Гц означає, що ми маємо виміряти висоту звуку 10 разів на секунду. Виберемо рівновіддалені моменти часу:

Довжина коду 3 біта означає 23 = 8 рівнів квантування. Тобто як числовий код висоти звуку в кожен вибраний момент часу ми можемо задати одну з наступних комбінацій: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Їх всього 8, отже, висоту звуку можна вимірювати на 8 рівнях»:

«Округлюватимемо» значення висоти звуку до найближчого нижнього рівня:

Використовуючи даний спосібкодування, ми отримаємо наступний результат (прогалини поставлені для зручності сприйняття):

Примітка. Доцільно звернути увагу учнів те що, наскільки неточно код передає зміна амплітуди. Тобто частота дискретизації 10 Гц і рівень квантування біта) занадто малі. Зазвичай для звуку (голосу) вибирають частоту дискретизації 8 кГц, тобто 8000 разів на секунду, рівень квантування 28 (код довжиною 8 біт).

Відповідь:

18. Поясніть, чому рівень квантування відноситься, поряд із частотою дискретизації, до основних характеристик уявлення звуку в комп'ютері. Цілі:закріпити розуміння учнями понять «точність подання даних», «похибка виміру», «похибка подання»; повторити з учнями двійкове кодування та довжину коду. Вид діяльності: робота з визначеннями понять. (, Стор. ??, Завдання 3)

Рішення:

У геометрії, фізиці, техніці є поняття "точність виміру", тісно пов'язане з поняттям "похибка виміру". Але є ще й поняття "точність уявлення".Наприклад, про зростання людини можна сказати, що вона: а) близько. 2 м; б) трохи більше 1,7 м; в) дорівнює 1 м 72 см; г) дорівнює 1 м 71 см 8 мм. Тобто для позначення виміряного зростання можна використовувати 1, 2, 3 чи 4 цифри.
Так само і для двійкового кодування. Якщо для запису висоти звуку в конкретний момент часу використовувати тільки 2 біти, то, навіть якщо виміри були точні, можна передати тільки 4 рівні: низький (00), нижче середнього (01), вище середнього (10), високий (11). Якщо використовувати 1 байт, можна передати 256 рівнів. Чим вищий рівень квантування, або, що те саме, ніж більше бітів приділяється запису виміряного значення, тим точніше передається це значення.

Примітка. Слід зазначити, що вимірювальний інструмент теж повинен підтримувати обраний рівень квантування (довжину, виміряну лінійкою з дециметровими поділками, немає сенсу уявляти з точністю до міліметра).

Відповідь: що вищий рівень квантування, то точніше передається звук.

Література:

[ 1] Інформатики. Задачник-практикум в 2 т. / Под ред. , : Том 1. – Лабораторія Базових знань, 1999 р. - 304 с.: Іл.

Практикум з інформатики та інформаційних технологій. Навчальний посібникдля загальноосвітніх установ / . - М.: Біном. Лабораторія Знань, 20с.: Іл.

Інформатика у школі: Додаток до журналу «Інформатика та освіта». №4 – 2003. – М.: Освіта та Інформатика, 2003. – 96 с.: іл.

та ін Інформаційна культура: одування інформації. Інформаційні моделі 9-10 клас: Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів. - 2-ге вид. - М: Дрофа, 1996. - 208 с.: іл.

Сінокосів з інформатики для школярів. – Єкатеринбург: «У-Факторія», 2003. – 346. с54-56.