Stĺpec obsahuje odhadovanú hlasitosť zvukového súboru. Kódovanie a spracovanie zvukových informácií

Stĺpec obsahuje odhadovanú hlasitosť zvukového súboru. Kódovanie a spracovanie zvukových informácií
Stĺpec obsahuje odhadovanú hlasitosť zvukového súboru. Kódovanie a spracovanie zvukových informácií
24.01.2021

S rôznou amplitúdou a frekvenciou. Čím vyššia je amplitúda signálu, tým hlasnejšie ho človek vníma. Čím vyššia je frekvencia signálu, tým vyšší je jeho tón.

Obrázok 1. Amplitúda vibrácií zvukových vĺn

Frekvencia zvukových vĺn určený počtom vibrácií za sekundu. Táto hodnota sa meria v hertzoch (Hz, Hz).

Ľudské ucho vníma zvuky v rozsahu od $20$ Hz do $20$ kHz, tento rozsah je tzv. zvuk. Nazýva sa počet bitov, ktoré sú pridelené jednému zvukovému signálu hĺbka kódovania zvuku. Moderné zvukové karty poskytujú hĺbku kódovania zvuku v hodnote 16-$, 32-$ alebo 64-$. Počas procesu kódovania zvukové informácie trvalý signál je nahradený diskrétne, to znamená, že sa prevedie na sekvenciu elektrických impulzov pozostávajúcu z binárnych núl a jednotiek.

Vzorkovacia frekvencia zvuku

Jeden z dôležité vlastnosti procesu kódovania zvuku je vzorkovacia frekvencia, čo je počet meraní úrovne signálu za 1 $ sekundu:

  • jedno meranie za sekundu zodpovedá frekvencii $1$ gigahertz (GHz);
  • Meranie 1 000 $ za sekundu zodpovedá frekvencii 1 $ kilohertz (kHz).

Definícia 2

Vzorkovacia frekvencia zvuku je počet meraní hlasitosti zvuku za jednu sekundu.

Počet meraní môže byť v rozsahu od $8$ kHz do $48$ kHz, pričom prvá hodnota zodpovedá frekvencii rozhlasového vysielania a druhá kvalita zvuku hudobných nosičov.

Poznámka 1

Čím vyššia je frekvencia a hĺbka vzorkovania zvuku, tým kvalitnejšie bude znieť digitalizovaný zvuk. Digitalizovaný zvuk najnižšej kvality, ktorý zodpovedá kvalite telefonickú komunikáciu, ukáže sa, že keď je vzorkovacia frekvencia 8000-krát za sekundu, hĺbka vzorkovania je $8$ bitov, čo zodpovedá nahrávaniu jednej zvukovej stopy (mono režim). Najvyššiu kvalitu digitalizovaného zvuku, ktorá zodpovedá kvalite zvukového CD, dosiahnete pri vzorkovacej frekvencii 48 000 $ za sekundu, hĺbka vzorkovania $ 16 $ bitov, čo zodpovedá nahrávaniu dvoch zvukových stôp (režim stereo).

Informačná hlasitosť zvukového súboru

Treba si uvedomiť, že čím vyššia kvalita digitálny zvuk, tým väčší je objem informácií zvukového súboru.

Poďme odhadnúť objem informácií mono zvukového súboru ($ V$), to možno urobiť pomocou vzorca:

$V = N \cdot f \cdot k$,

kde $N$ je celkové trvanie zvuku vyjadrené v sekundách,

$f$ - vzorkovacia frekvencia (Hz),

$k$ - hĺbka kódovania (bity).

Príklad 1

Napríklad, ak je trvanie zvuku $1$ minúta a máme priemernú kvalitu zvuku, pri ktorej je vzorkovacia frekvencia $24$ kHz a hĺbka kódovania je $16$ bitov, potom:

$ V=60 \cdot 24000 \cdot 16 \bit=23040000 \bit=2880000 \bajt = 2812,5 \KB=2,75 \MB.$

Pri kódovaní stereo zvuku sa proces vzorkovania vykonáva oddelene a nezávisle pre ľavý a pravý kanál, čo zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje hlasitosť zvukový súbor dvakrát toľko ako mono zvuk.

Príklad 2

Napríklad odhadnime objem informácií digitálneho stereo zvukového súboru, ktorého trvanie zvuku sa rovná 1 $ sekundu s priemernou kvalitou zvuku (16 $ bitov, 24 000 $ merania za sekundu). Ak to chcete urobiť, vynásobte hĺbku kódovania počtom meraní za $ 1 $ sekundu a vynásobte $ 2 $ (stereo zvuk):

$ V=16 \bit \cdot 24000 \cdot 2 = 768000 \bit = 96000 \bajt = 93,75 \KB.$

Základné metódy kódovania zvukových informácií

Existujú rôzne metódy kódovania zvukových informácií pomocou binárneho kódu, medzi ktorými sú dva hlavné smery: FM metóda A Metóda Wave-Table.

FM metóda (Frekvenčná modulácia) vychádza zo skutočnosti, že teoreticky každý zložitý zvuk možno rozložiť na sled jednoduchých harmonických signálov rôznych frekvencií, z ktorých každý bude predstavovať pravidelnú sínusoidu, čo znamená, že ho možno opísať kódom. Proces rozkladu zvukových signálov na harmonické série a ich reprezentácia vo forme diskrétnych digitálnych signálov sa vyskytuje v špeciálnych zariadeniach nazývaných „analógovo-digitálne prevodníky“ (ADC).

Obrázok 2. Konverzia zvukového signálu na diskrétny signál

Obrázok 2a zobrazuje audio signál na vstupe ADC a obrázok 2b zobrazuje už skonvertovaný diskrétny signál na výstupe ADC.

Na spätný prevod pri prehrávaní zvuku, ktorý je prezentovaný vo forme číselného kódu, sa používajú digitálno-analógové prevodníky (DAC). Proces konverzie zvuku je znázornený na obr. 3. Táto metóda neposkytuje kódovanie dobrá kvalita zvuk, ale poskytuje kompaktný kód.

Obrázok 3. Konverzia diskrétneho signálu na zvukový signál

Obrázok 3a zobrazuje diskrétny signál, ktorý máme na vstupe DAC, a obrázok 3b zobrazuje audio signál na výstupe DAC.

Metóda stolovej vlny (Wave-Table) vychádza z toho, že vopred pripravené tabuľky ukladajú vzorky zvukov okolitého sveta, hudobných nástrojov a pod. Číselné kódy vyjadrujú výšku, trvanie a intenzitu zvuku a ďalšie parametre charakterizujúce vlastnosti zvuku. Keďže sa ako vzorky používajú „skutočné“ zvuky, kvalita zvuku získaná ako výsledok syntézy je veľmi vysoká a blíži sa kvalite zvuku skutočných hudobných nástrojov.

Príklady formátov zvukových súborov

Zvukové súbory prichádzajú v niekoľkých formátoch. Najpopulárnejšie z nich sú MIDI, WAV, MP3.

Formát MIDI(Musical Instrument Digital Interface) bol pôvodne určený na ovládanie hudobných nástrojov. V súčasnosti sa používa v oblasti elektronických hudobných nástrojov a počítačové moduly syntéza.

Formát zvukového súboru WAV(tvar vlny) predstavuje ľubovoľný zvuk vo forme digitálna reprezentácia pôvodné zvukové vibrácie alebo zvuková vlna. Všetky štandardné Zvuky systému Windows majú príponu WAV.

formát MPZ(MPEG-1 Audio Layer 3) je jedným z digitálnych formátov na ukladanie zvukových informácií. Poskytuje vyššiu kvalitu kódovania.

Riešenie problémov s kódovaním zvukových informácií.

  1. Teoretická časť

Pri riešení problémov sa študenti spoliehajú na tieto koncepty:

Vzorkovanie času- proces, pri ktorom sa pri kódovaní súvislého zvukového signálu zvuková vlna rozdelí na samostatné malé časové úseky a pre každý takýto úsek sa nastaví určitá hodnota amplitúdy. Čím väčšia je amplitúda signálu, tým je zvuk hlasnejší.

Hĺbka zvuku (hĺbka kódovania) - počet bitov na kódovanie zvuku.

Počet rôznych úrovní objemu sa vypočíta podľa vzorca N=2 ja , kde I je hĺbka zvuku.

Vzorkovacia frekvencia– počet meraní úrovne vstupného signálu za jednotku času (za 1 sekundu). Čím vyššia je vzorkovacia frekvencia, tým presnejšie postup binárne kódovanie. Frekvencia sa meria v Hertzoch (Hz).

Kvalita binárneho kódovania je hodnota, ktorá je určená hĺbkou kódovania a vzorkovacou frekvenciou.

Šírka registra- počet bitov v registri audio adaptéra. Čím väčšia je bitová hĺbka, tým menšia je chyba každého jednotlivého prevodu hodnoty elektrický prúd na číslo a späť. Ak je bitová hĺbka rovná I, potom pri meraní možno získať vstupný signál 2 ja =N rôznych hodnôt.

  1. Praktická časť. Analýza a riešenie problému.

Problém 1 . Odhadnúť objem informácií digitálneho stereo audio súboru trvajúceho 20 sekúnd s hĺbkou kódovania 16 bitov a vzorkovacou frekvenciou 10 000 Hz? Uveďte výsledok v KB, zaokrúhlený na najbližšiu stotinu.

Pri riešení takýchto problémov musíme pamätať na nasledujúce:

To mono - 1 kanál, stereo - 2 kanály

Problém 2 . Určte veľkosť (v bajtoch) digitálneho zvukového súboru, ktorého doba prehrávania je 10 sekúnd pri vzorkovacej frekvencii 22,05 kHz a rozlíšení 8 bitov.

Vzhľadom na to:

I = 8 bitov = 1 bajt

t = 10 sekúnd

η = 22,05 kHz = 22,05 * 1000 Hz = 22050 Hz

I - bitová hĺbka zvukovej karty,

t - čas prehrávania zvukového súboru,

η - vzorkovacia frekvencia

Riešenie:

V(Inform.) = I · η ·t

V(Inform.) = 22050 *10 *1 = 220500 bajtov

Odpoveď: V(Inform.) = 220500 bajtov

Nájsť: V (objem informácií)-?

Riešenie problémov s kódovaním zvukových informácií

I. Veľkosť digitálneho súboru

1. Určite veľkosť (v bajtoch) digitálneho zvukového súboru, ktorého doba prehrávania je 10 sekúnd pri vzorkovacej frekvencii 22,05 kHz a rozlíšení 8 bitov. Súbor nie je komprimovaný. (, strana 156, príklad 1)

Riešenie:

Vzorec na výpočet veľkosti(v bajtoch)digitálny zvukový súbor:A=D*T*I/8.

Pre prevod na bajty je potrebné výslednú hodnotu vydeliť 8 bitmi.

22,05 kHz = 22,05 * 1 000 Hz = 22 050 Hz

A=D*T*I/8 =22050 x 10 x 8/8 = 220500 bajtov.

^ Odpoveď: Veľkosť súboru je 220 500 bajtov.

2. Určite veľkosť pamäte na uloženie digitálneho zvukového súboru, ktorého doba prehrávania je dve minúty pri vzorkovacej frekvencii 44,1 kHz a rozlíšení 16 bitov. (, s. 157, č. 88)

Riešenie:

A=D*T*I/8. – množstvo pamäte na uloženie digitálneho zvukového súboru.

44100 (Hz) x 120 (s) x 16 (bitov) / 8 (bitov) = 10584000 bajtov = 10335,9375 KB = 10,094 MB.

Odpoveď: ≈ 10 MB

6. Dve minúty nahrávania digitálneho zvukového súboru zaberú 5,1 MB miesta na disku. Vzorkovacia frekvencia - 22050 Hz. Aká je bitová hĺbka zvukového adaptéra?

Riešenie:

Vzorec na výpočet bitovej hĺbky: (kapacita pamäte v bajtoch): (čas zvuku v sekundách): (vzorkovacia frekvencia):

5,1 MB= 5347737,6 bajtov

5347737,6 bajtov: 120 s: 22 050 Hz= 2,02 bajtov = 16 bitov
^ Odpoveď: 16 bitov

8. Odhadnite objem informácií mono zvukového súboru s trvaním zvuku 1 minútu. ak sú „hĺbka“ kódovania a vzorkovacia frekvencia zvukového signálu rovnaké:
a) 16 bitov a 8 kHz;
b) 16 bitov a 24 kHz.

Riešenie:

A).
16 bitov x 8 000 = 128 000 bitov = 16 000 bajtov = 15,625 kB/s
15 625 KB/s x 60 s = 937,5 KB

b).
1) Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 sekundu sa rovná:
16 bitov x 24 000 = 384 000 bitov = 48 000 bajtov = 46,875 kB/s
2) Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 minútu sa rovná:
46 875 KB/s x 60 s = 2 812,5 KB = 2,8 MB

^ Odpoveď: a) 937,5 KB; b) 2,8 MB

9. Koľko pamäte je potrebné na uloženie digitálneho zvukového súboru s vysokokvalitným zvukovým záznamom za predpokladu, že doba prehrávania je 3 minúty?

Riešenie:

Vysoká kvalita zvuku je dosiahnutá pri vzorkovacej frekvencii 44,1 kHz a bitovej hĺbke audio adaptéra 16.
Vzorec na výpočet kapacity pamäte: (čas záznamu v sekundách) x (kapacita zvukovej karty v bajtoch) x (vzorkovacia frekvencia):
180 s x 2 x 44100 Hz = 15876000 bajtov = 15,1 MB
Odpoveď: 15,1 MB

10. Digitálny zvukový súbor obsahuje zvukový záznam Nízka kvalita(znie tmavo a tlmene). Aká je dĺžka súboru, ak je jeho veľkosť 650 kB?
Riešenie:

Pre ponurý a tlmený zvuk sú typické nasledujúce parametre: vzorkovacia frekvencia - 11,025 KHz, bitová hĺbka audio adaptéra - 8 bitov (pozri tabuľku 1). Potom T=A/D/I. Prepočítajme objem na bajty: 650 KB = 665600 bajtov

Т=665600 bajtov/11 025 Hz/1 bajt ≈60,4 s

^ Odpoveď: trvanie zvuku je 60,5 s

11. Odhadnite objem informácií vysokokvalitného stereo audio súboru s dĺžkou zvuku 1 minútu, ak je „hĺbka“ kódovania 16 bitov a vzorkovacia frekvencia je 48 kHz. (, s. 74, príklad 2.54)

Riešenie:

Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 sekundu sa rovná:
16 bitov x 48 000 x 2 = 1 536 000 bitov = 187,5 KB (vynásobené 2, pretože stereo).

Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 minútu sa rovná:
187,5 KB/s x 60 s ≈ 11 MB

Odpoveď: 11 MB

12. Vypočítajte čas prehrávania mono zvukového súboru, ak sa pri 16-bitovom kódovaní a vzorkovacej frekvencii 32 kHz jeho hlasitosť rovná:
a) 700 kB;
b) 6300 kB

Riešenie:

A).
1) Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 sekundu sa rovná:

700 KB: 62,5 KB/s = 11,2 s

b).
1) Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 sekundu sa rovná:
16 bitov x 32 000 = 512 000 bitov = 64 000 bajtov = 62,5 KB/s
2) Čas prehrávania 700 kB mono zvukového súboru je:
6300 kB: 62,5 kB/s = 100,8 s = 1,68 min

Odpoveď: a) 10 sekúnd; b) 1,5 min.

13. Vypočítajte, koľko bajtov informácií zaberá jedna sekunda stereo záznamu na CD (frekvencia 44032 Hz, 16 bitov na hodnotu). Ako dlho trvá jedna minúta? Aká je maximálna kapacita disku (za predpokladu maximálneho trvania 80 minút)?

Riešenie:

Vzorec na výpočet veľkosti pamäteA=D*T*I:
(čas záznamu v sekundách) * (kapacita zvukovej karty v bajtoch) * (vzorkovacia frekvencia). 16 bitov - 2 bajty.
1) 1s x 2 x 44032 Hz = 88064 bajtov (1 sekunda stereo záznam na CD)
2) 60 s x 2 x 44032 Hz = 5283840 bajtov (1 minúta stereo CD nahrávania)
3) 4800 s x 2 x 44032 Hz = 422707200 bajtov = 412800 kB = 403,125 MB (80 minút)

Odpoveď: 88064 bajtov (1 sekunda), 5283840 bajtov (1 minúta), 403,125 MB (80 minút)

^ II. Stanovenie kvality zvuku.

Na zistenie kvality zvuku je potrebné nájsť vzorkovaciu frekvenciu a použiť tabuľku č.1

256 (2 8 ) úrovne intenzity signálu - kvalita zvuku rozhlasového vysielania pomocou 65536 (2 16 ) úrovne intenzity signálu - kvalita zvuku audio CD. Frekvencia najvyššej kvality zodpovedá hudbe nahratej na CD. Veľkosť analógového signálu sa v tomto prípade meria 44 100 krát za sekundu.

13. Určite kvalitu zvuku (kvalita rozhlasového vysielania, priemerná kvalita, kvalita zvukového CD), ak je známe, že hlasitosť mono zvukového súboru s dĺžkou zvuku 10 sekúnd. rovná sa:
a) 940 kB;
b) 157 kB.

Riešenie:
A).
1) 940 kB = 962560 bajtov = 7700480 bitov
2) 7700480 bitov: 10 sekúnd = 770048 bitov/s
3) 770048 bps: 16 bitov = 48128 Hz – vzorkovacia frekvencia – blízka najvyššej 44,1 kHz
^ Odpoveď: Kvalita audio CD
b).
1) 157 kB = 160768 bajtov = 1286144 bitov
2) 1286144 bitov: 10 sekúnd = 128614,4 bitov/s
3) 128614,4 bps: 16 bitov = 8038,4 Hz
Odpoveď: kvalita vysielania
Odpoveď: a) CD kvalita; b) kvalita rozhlasového vysielania.

Pri riešení problémov sa študenti spoliehajú na tieto koncepty:

Vzorkovanie času - proces, pri ktorom sa pri kódovaní súvislého zvukového signálu zvuková vlna rozdelí na samostatné malé časové úseky a pre každý takýto úsek sa nastaví určitá hodnota amplitúdy. Čím väčšia je amplitúda signálu, tým je zvuk hlasnejší.

Hĺbka zvuku (hĺbka kódovania) -počet bitov na kódovanie zvuku.

Úrovne hlasitosti (úrovne signálu)- zvuk môže mať rôzne úrovne hlasitosti. Počet rôznych úrovní hlasitosti sa vypočíta pomocou vzorca N= 2 ja Kdeja- hĺbka zvuku.

Vzorkovacia frekvencia - počet meraní úrovne vstupného signálu za jednotku času (za 1 sekundu). Čím vyššia je vzorkovacia frekvencia, tým presnejší je postup binárneho kódovania. Frekvencia sa meria v Hertzoch (Hz). 1 meranie za 1 sekundu -1 Hz.

1000 meraní za 1 sekundu 1 kHz. Vzorkovaciu frekvenciu označme písmenomD. Pre kódovanie vyberte jednu z troch frekvencií:44,1 kHz, 22,05 kHz, 11,025 kHz.

Predpokladá sa, že rozsah frekvencií, z ktorých človek počuje, pochádza 20 Hz až 20 kHz.

Kvalita binárneho kódovania –hodnotu, ktorá je určená hĺbkou kódovania a vzorkovacou frekvenciou.

Audio adaptér (zvuková karta) – zariadenie, ktoré premieňa elektrické vibrácie zvukovej frekvencie na číselný binárny kód pri zadávaní zvuku a naopak (z číselného kódu na elektrické vibrácie) pri prehrávaní zvuku.


Špecifikácie audio adaptéra:vzorkovacia frekvencia a bitová hĺbka registra.).

Veľkosť registra - počet bitov v registri audio adaptéra. Čím väčšia je kapacita číslic, tým menšia je chyba každého jednotlivého prevodu veľkosti elektrického prúdu na číslo a naopak. Ak je bitová hĺbka ja, potom pri meraní vstupného signálu 2 možno získaťja = N rôzne významy.

Veľkosť digitálneho mono zvukového súboru (A) sa meria podľa vzorca:

A= D* T* ja/8 , KdeD – vzorkovacia frekvencia (Hz),T– čas prehrávania alebo nahrávania zvuku,jašírka registra (rozlíšenie). Podľa tohto vzorca sa veľkosť meria v bajtoch.

Veľkosť digitálneho stereo zvukového súboru (A) sa meria podľa vzorca:

A=2* D* T* ja/8 , signál sa nahráva pre dva reproduktory, pretože ľavý a pravý zvukový kanál sú kódované oddelene.

Pre študentov je užitočné uviesť tabuľku 1, ktorá ukazuje, koľko MB zaberie zakódovaná jedna minúta zvukovej informácie pri rôznych vzorkovacích frekvenciách:

1. Veľkosť digitálneho súboru

úroveň "3"

1. Určite veľkosť (v bajtoch) digitálneho zvukového súboru, ktorého doba prehrávania je 10 sekúnd pri vzorkovacej frekvencii 22,05 kHz a rozlíšení 8 bitov. Súbor nie je komprimovaný. (, strana 156, príklad 1)

Riešenie:

Vzorec na výpočet veľkosti (v bajtoch) digitálny zvukový súbor: A= D* T* ja/8.

Pre prevod na bajty je potrebné výslednú hodnotu vydeliť 8 bitmi.

22,05 kHz = 22,05 * 1 000 Hz = 22 050 Hz

A= D* T* ja/8 = 22 050 x 10 x 8 / 8 = 220 500 bajtov.

Odpoveď: Veľkosť súboru je 220 500 bajtov.

2. Určite veľkosť pamäte na uloženie digitálneho zvukového súboru, ktorého doba prehrávania je dve minúty pri vzorkovacej frekvencii 44,1 kHz a rozlíšení 16 bitov. (, s. 157, č. 88)

Riešenie:

A= D* T* ja/8. – množstvo pamäte na uloženie digitálneho zvukového súboru.

44100 (Hz) x 120 (s) x 16 (bitov) / 8 (bitov) = 10584000 bajtov = 10335,9375 KB = 10,094 MB.

Odpoveď: ≈ 10 MB

úroveň "4"

3. Používateľ má kapacitu pamäte 2,6 MB. Je potrebné nahrať digitálny zvukový súbor s dĺžkou zvuku 1 minútu. Aká by mala byť vzorkovacia frekvencia a bitová hĺbka? (, s. 157, č. 89)

Riešenie:

Vzorec na výpočet vzorkovacej frekvencie a bitovej hĺbky: D* I =A/T

(kapacita pamäte v bajtoch) : (čas zvuku v sekundách):

2,6 MB = 2726297,6 bajtov

D* I =A/T= 2726297,6 bajtov: 60 = 45438,3 bajtov

D=45438,3 bajtov: I

Šírka adaptéra môže byť 8 alebo 16 bitov. (1 bajt alebo 2 bajty). Preto vzorkovacia frekvencia môže byť buď 45438,3 Hz = 45,4 kHz ≈ 44,1 kHz–štandardná charakteristická vzorkovacia frekvencia alebo 22719,15 Hz = 22,7 kHz ≈ 22,05 kHz- štandardná charakteristická vzorkovacia frekvencia

odpoveď:

Vzorkovacia frekvencia

Kapacita audio adaptéra

1 možnosť

22,05 kHz

16 bit

Možnosť 2

44,1 kHz

8 bit

4. Veľkosť voľnej pamäte na disku je 5,25 MB, bitová hĺbka zvukovej karty je 16. Aká je dĺžka trvania zvuku digitálneho zvukového súboru nahratého so vzorkovacou frekvenciou 22,05 kHz? (, s. 157, č. 90)


Riešenie:

Vzorec na výpočet trvania zvuku: T=A/D/I

(kapacita pamäte v bajtoch) : (vzorkovacia frekvencia v Hz) : (kapacita zvukovej karty v bajtoch):

5,25 MB = 5505024 bajtov

5505024 bajtov: 22050 Hz: 2 bajty = 124,8 s
Odpoveď: 124,8 sekúnd

5. Jedna minúta nahrávania digitálneho zvukového súboru zaberá 1,3 MB miesta na disku, bitová hĺbka zvukovej karty je 8. Pri akej vzorkovacej frekvencii sa zvuk nahráva? (, s. 157, č. 91)

Riešenie:

Vzorec na výpočet vzorkovacej frekvencie: D = A/T/I

(kapacita pamäte v bajtoch) : (čas záznamu v sekundách) : (kapacita zvukovej karty v bajtoch)

1,3 MB = 1363148,8 bajtov

1363148,8 bajtov: 60:1 = 22719,1 Hz

Odpoveď: 22,05 kHz

6. Dve minúty nahrávania digitálneho zvukového súboru zaberú 5,1 MB miesta na disku. Vzorkovacia frekvencia - 22050 Hz. Aká je bitová hĺbka zvukového adaptéra? (, s. 157, č. 94)

Riešenie:

Vzorec na výpočet bitovej hĺbky: (kapacita pamäte v bajtoch): (čas zvuku v sekundách): (vzorkovacia frekvencia):

5,1 MB= 5347737,6 bajtov

5347737,6 bajtov: 120 s: 22 050 Hz= 2,02 bajtov = 16 bitov

Odpoveď: 16 bitov

7. Množstvo voľnej pamäte na disku je 0,01 GB, bitová hĺbka zvukovej karty je 16. Aká je dĺžka trvania zvuku digitálneho zvukového súboru nahratého so vzorkovacou frekvenciou 44100 Hz? (, s. 157, č. 95)

Riešenie:

Vzorec na výpočet trvania zvuku T=A/D/I

(kapacita pamäte v bajtoch) : (vzorkovacia frekvencia v Hz) : (kapacita zvukovej karty v bajtoch)

0,01 GB = 10737418,24 bajtov

10737418,24 bajtov: 44100: 2 = 121,74 s = 2,03 min
Odpoveď: 20,3 minúty

8. Odhadnite objem informácií mono zvukového súboru s trvaním zvuku 1 minútu. ak sú „hĺbka“ kódovania a vzorkovacia frekvencia zvukového signálu rovnaké:
a) 16 bitov a 8 kHz;
b) 16 bitov a 24 kHz.

(, s. 76, č. 2,82)

Riešenie:

A).
16 bitov x 8 000 = 128 000 bitov = 16 000 bajtov = 15,625 kB/s
15 625 KB/s x 60 s = 937,5 KB

b).
1) Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 sekundu sa rovná:
16 bitov x 24 000 = 384 000 bitov = 48 000 bajtov = 46,875 kB/s
2) Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 minútu sa rovná:
46 875 KB/s x 60 s = 2 812,5 KB = 2,8 MB

Odpoveď: a) 937,5 KB; b) 2,8 MB

úroveň "5"

Používa sa tabuľka 1

9. Koľko pamäte je potrebné na uloženie digitálneho zvukového súboru s vysokokvalitným zvukovým záznamom za predpokladu, že doba prehrávania je 3 minúty? (, s. 157, č. 92)

Riešenie:

Vysoká kvalita zvuku je dosiahnutá pri vzorkovacej frekvencii 44,1 kHz a bitovej hĺbke audio adaptéra 16.
Vzorec na výpočet kapacity pamäte: (čas záznamu v sekundách) x (kapacita zvukovej karty v bajtoch) x (vzorkovacia frekvencia):
180 s x 2 x 44100 Hz = 15876000 bajtov = 15,1 MB
Odpoveď: 15,1 MB

10. Digitálny zvukový súbor obsahuje zvukovú nahrávku nízkej kvality (zvuk je tmavý a tlmený). Aká je dĺžka súboru, ak je jeho veľkosť 650 kB? (, s. 157, č. 93)

Riešenie:

Pre ponurý a tlmený zvuk sú typické nasledujúce parametre: vzorkovacia frekvencia - 11,025 KHz, bitová hĺbka audio adaptéra - 8 bitov (pozri tabuľku 1). Potom T=A/D/I. Prepočítajme objem na bajty: 650 KB = 665600 bajtov

Т=665600 bajtov/11 025 Hz/1 bajt ≈60,4 s

Odpoveď: trvanie zvuku je 60,5 s

Riešenie:

Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 sekundu sa rovná:
16 bitov x 48 000 x 2 = 1 536 000 bitov = 187,5 KB (vynásobené 2, pretože stereo).

Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 minútu sa rovná:
187,5 KB/s x 60 s ≈ 11 MB

Odpoveď: 11 MB

Odpoveď: a) 940 KB; b) 2,8 MB.

12. Vypočítajte čas prehrávania mono zvukového súboru, ak sa pri 16-bitovom kódovaní a vzorkovacej frekvencii 32 kHz jeho hlasitosť rovná:
a) 700 kB;
b) 6300 kB

(, s. 76, č. 2,84)

Riešenie:

A).
1) Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 sekundu sa rovná:

700 KB: 62,5 KB/s = 11,2 s

b).
1) Objem informácií zvukového súboru trvajúceho 1 sekundu sa rovná:
16 bitov x 32 000 = 512 000 bitov = 64 000 bajtov = 62,5 KB/s
2) Čas prehrávania 700 kB mono zvukového súboru je:
6300 kB: 62,5 kB/s = 100,8 s = 1,68 min

Odpoveď: a) 10 sekúnd; b) 1,5 min.

13. Vypočítajte, koľko bajtov informácií zaberá jedna sekunda stereo záznamu na CD (frekvencia 44032 Hz, 16 bitov na hodnotu). Ako dlho trvá jedna minúta? Aká je maximálna kapacita disku (za predpokladu maximálneho trvania 80 minút)? (, s. 34, cvičenie č. 34)

Riešenie:

Vzorec na výpočet veľkosti pamäte A= D* T* ja:
(čas záznamu v sekundách) * (kapacita zvukovej karty v bajtoch) * (vzorkovacia frekvencia). 16 bitov - 2 bajty.
1) 1s x 2 x 44032 Hz = 88064 bajtov (1 sekunda stereo záznam na CD)
2) 60 s x 2 x 44032 Hz = 5283840 bajtov (1 minúta stereo CD nahrávania)
3) 4800 s x 2 x 44032 Hz = 422707200 bajtov = 412800 kB = 403,125 MB (80 minút)

Odpoveď: 88064 bajtov (1 sekunda), 5283840 bajtov (1 minúta), 403,125 MB (80 minút)

2. Stanovenie kvality zvuku.

Na zistenie kvality zvuku je potrebné nájsť vzorkovaciu frekvenciu a použiť tabuľku č.1

256 (28) úrovní intenzity signálu - kvalita zvuku rozhlasového vysielania, pomocou 65536 (216) úrovní intenzity signálu - kvalita zvuku audio CD. Frekvencia najvyššej kvality zodpovedá hudbe nahratej na CD. Veľkosť analógového signálu sa v tomto prípade meria 44 100 krát za sekundu.

úroveň "5"

13. Určite kvalitu zvuku (kvalita rozhlasového vysielania, priemerná kvalita, kvalita zvukového CD), ak je známe, že hlasitosť mono zvukového súboru s dĺžkou zvuku 10 sekúnd. rovná sa:
a) 940 kB;
b) 157 kB.

(, s. 76, č. 2,83)

Riešenie:

A).
1) 940 kB = 962560 bajtov = 7700480 bitov
2) 7700480 bitov: 10 sekúnd = 770048 bitov/s
3) 770048 bps: 16 bitov = 48128 Hz – vzorkovacia frekvencia – blízka najvyššej 44,1 kHz
Odpoveď: Kvalita audio CD

b).
1) 157 kB = 160768 bajtov = 1286144 bitov
2) 1286144 bitov: 10 sekúnd = 128614,4 bitov/s
3) 128614,4 bps: 16 bitov = 8038,4 Hz
Odpoveď: kvalita vysielania

Odpoveď: a) CD kvalita; b) kvalita rozhlasového vysielania.

14. Určite dĺžku zvukového súboru, ktorý sa zmestí na 3,5” disketu. Upozorňujeme, že na ukladanie údajov na takúto disketu je vyčlenených 2847 sektorov s veľkosťou 512 bajtov.
a) s nízkou kvalitou zvuku: mono, 8 bitov, 8 kHz;
b) pri vysoká kvalita zvuk: stereo, 16 bit, 48 kHz.

(, s. 77, č. 2,85)

Riešenie:

A).

8 bitov x 8 000 = 64 000 bitov = 8 000 bajtov = 7,8 kB/s
3) Čas prehrávania mono zvukového súboru s objemom 1423,5 kB sa rovná:
1423,5 KB: 7,8 KB/s = 182,5 s ≈ 3 min

b).
1) Objem informácií na diskete sa rovná:
2 847 sektorov x 512 bajtov = 1 457 664 bajtov = 1 423,5 kB
2) Informačná hlasitosť zvukového súboru trvajúceho 1 sekundu sa rovná:
16 bitov x 48 000 x 2 = 1 536 000 bitov = 192 000 bajtov = 187,5 kB/s
3) Čas prehrávania stereo audio súboru s objemom 1423,5 kB sa rovná:
1423,5 KB: 187,5 KB/s = 7,6 s

Odpoveď: a) 3 minúty; b) 7,6 sekundy.

3. Binárne kódovanie zvuku.

Pri riešení problémov používa nasledujúci teoretický materiál:

Na zakódovanie zvuku použite analógový signál znázornený na obrázku

rovina je rozdelená na vertikálne a horizontálne čiary. Vertikálne rozdelenie je vzorkovanie analógového signálu (frekvencia merania signálu), horizontálne rozdelenie je kvantovanie podľa úrovne. Teda než jemnejšia sieťovina– čím lepšia je kvalita priblíženia analógového zvuku pomocou čísel. Osembitová kvantizácia sa používa na digitalizáciu bežnej reči ( telefonický rozhovor) a rozhlasové vysielanie na krátkych vlnách. Šestnásťbitové – na digitalizáciu hudby a rádiového vysielania VHF (ultrakrátke vlny).

úroveň "3"

15. Analógový audio signál bol najprv navzorkovaný pomocou 256 intenzít signálu (kvalita vysielaného zvuku) a potom pomocou 65 536 intenzít signálu (kvalita zvuku audio CD). Koľkokrát sa líšia informačné objemy digitalizovaného zvuku? (, s. 77, č. 2,86)

Riešenie:

Dĺžka kódu analógového signálu pri použití 256 úrovní intenzity signálu je 8 bitov a pri použití 65536 úrovní intenzity signálu je 16 bitov. Keďže dĺžka kódu jedného signálu sa zdvojnásobila, informačné objemy digitalizovaného zvuku sa líšia o faktor 2.

Odpoveď: 2 krát.

úroveň "4"

16. Podľa Nyquist-Kotelnikovovej vety, aby bolo možné presne zrekonštruovať analógový signál z jeho diskrétnej reprezentácie (z jeho vzoriek), musí byť vzorkovacia frekvencia aspoň dvojnásobkom maximálnej zvukovej frekvencie tohto signálu.

· Aká by mala byť vzorkovacia frekvencia zvuku vnímateľného človekom?

· Čo by malo byť vyššie: vzorkovacia frekvencia reči alebo vzorkovacia frekvencia symfonického orchestra?

Cieľ: Oboznámiť študentov s vlastnosťami hardvéru a softvéru pre prácu so zvukom. Typy aktivít: získavanie vedomostí z kurzu fyziky (alebo práca s referenčnými knihami). (, str. ??, úloha 2)

Riešenie:

Predpokladá sa, že rozsah frekvencií, ktoré ľudia počujú, je od 20 Hz do 20 kHz. Teda podľa Nyquist-Kotelnikovovej vety, aby sa analógový signál presne rekonštruoval z jeho diskrétnej reprezentácie (z jeho vzoriek), Vzorkovacia frekvencia musí byť aspoň dvojnásobkom maximálnej zvukovej frekvencie tohto signálu. Maximálne frekvencia zvuku ktoré človek počuje je -20 KHz, čo znamená zariadenie ra a softvér musí poskytovať vzorkovaciu frekvenciu najmenej 40 kHz, presnejšie 44,1 kHz. Počítačové spracovanie zvuku symfonického orchestra zahŕňa viac vysoká frekvencia vzorkovanie ako spracovanie reči, keďže frekvenčný rozsah v prípade symfonického orchestra je oveľa väčší.

Odpoveď: nie menej ako 40 kHz, vzorkovacia frekvencia symfonického orchestra je vyššia.

úroveň "5"

17. Obrázok znázorňuje zvuk 1 sekundy reči zaznamenaný rekordérom. Zakódujte ho do binárneho digitálneho kódu s frekvenciou 10 Hz a dĺžkou kódu 3 bity. (, str. ??, úloha 1)

Riešenie:

Kódovanie pri 10 Hz znamená, že musíme merať výšku tónu 10-krát za sekundu. Vyberme si rovnako vzdialené časové okamihy:

Dĺžka kódu 3 bity znamená 23 = 8 kvantizačných úrovní. To znamená, že ako číselný kód pre výšku zvuku v každom zvolenom okamihu môžeme nastaviť jednu z nasledujúcich kombinácií: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Existuje len 8 preto je možné výšku zvuku merať na 8 "úrovniach":

Hodnoty výšky tónu „zaokrúhlime“ na najbližšiu nižšiu úroveň:

Použitím túto metódu kódovaním, dostaneme nasledujúci výsledok (medzery sú zahrnuté kvôli ľahšiemu vnímaniu): 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

Poznámka. Je vhodné upozorniť študentov na to, ako nepresne kód vyjadruje zmenu amplitúdy. To znamená, že vzorkovacia frekvencia 10 Hz a úroveň kvantizácie 23 (3 bity) sú príliš malé. Typicky sa pre zvuk (hlas) volí vzorkovacia frekvencia 8 kHz, t.j. 8000-krát za sekundu, a úroveň kvantizácie 28 (8-bitový kód).

Odpoveď: 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

18. Vysvetlite, prečo je úroveň kvantizácie spolu so vzorkovacou frekvenciou hlavnou charakteristikou zvukovej reprezentácie v počítači. Ciele: upevniť u študentov chápanie pojmov „presnosť reprezentácie údajov“, „chyba merania“, „chyba reprezentácie“; Prezrite si binárne kódovanie a dĺžku kódu so študentmi. Typ činnosti: práca s definíciami pojmov. (, s. ??, úloha 3)

Riešenie:

V geometrii, fyzike a technológii existuje pojem „presnosť merania“, ktorý úzko súvisí s pojmom „chyba merania“. Existuje však aj koncept „presnosť zobrazenia“. Napríklad o výške osoby môžeme povedať, že je: a) približne. 2 m, b) o niečo viac ako 1,7 m, c) rovná sa 1 m 72 cm, d) rovná sa 1 m 71 cm 8 mm. To znamená, že na označenie meranej výšky možno použiť 1, 2, 3 alebo 4 číslice.
To isté platí pre binárne kódovanie. Ak sa na zaznamenanie výšky zvuku v určitom okamihu použijú iba 2 bity, potom, aj keď boli merania presné, možno preniesť iba 4 úrovne: nízka (00), podpriemerná (01), nadpriemerná ( 10), vysoká (11). Ak použijete 1 bajt, môžete preniesť 256 úrovní. Ako vyššia úroveň kvantizácie, alebo, ktorý je rovnaký ako Čím viac bitov je pridelených na zaznamenanie nameranej hodnoty, tým presnejšie sa táto hodnota prenáša.

Poznámka. Treba si uvedomiť, že merací prístroj musí podporovať aj zvolenú kvantizačnú úroveň (dĺžku nameranú pravítkom nemá zmysel znázorňovať s decimetrovými dielikmi s presnosťou na milimeter).

Odpoveď: čím vyššia je úroveň kvantizácie, tým presnejšie sa zvuk prenáša.

Literatúra:

[ 1] Počítačová veda. Problémová knižná dielňa v 2 zväzkoch /Ed. ,: Zväzok 1. – Laboratórium základných vedomostí, 1999 – 304 s.: ill.

Workshop z informatiky a informačných technológií. Návod pre vzdelávacie inštitúcie / , . – M.: Binom. Laboratórium vedomostí, 2002. 400 s.: ill.

Informatika v škole: Príloha časopisu „Informatika a vzdelávanie“. č. 4 - 2003. - M.: Vzdelávanie a informatika, 2003. - 96 s.: chor.

a pod. Informačná kultúra: informačný oding. Informačné modely. Ročník 9-10: Učebnica pre všeobecné vzdelávanie vzdelávacie inštitúcie. - 2. vyd. - M.: Drop, 1996. - 208 s.: chor.

Senokosov o informatike pre školákov. - Jekaterinburg: “U-Factoria”, 2003. - 346. s. 54-56.

Časové vzorkovanie zvuku.

Zvuk je zvuková vlna s plynule sa meniacou amplitúdou a frekvenciou. Čím väčšia je amplitúda signálu, tým je pre človeka hlasnejší, čím vyššia je frekvencia signálu, tým vyšší je tón. Na to, aby počítač spracoval zvuk, musí byť súvislý zvukový signál prevedený na sekvenciu elektrických impulzov (binárne jednotky a nuly).

V procese kódovania súvislého zvukového signálu sa vykonáva jeho časové vzorkovanie. Súvislá zvuková vlna je rozdelená na samostatné malé dočasné úseky a pre každý takýto úsek je nastavená určitá hodnota amplitúdy.
Diskretizácia je premena spojitých signálov na množinu diskrétnych hodnôt, z ktorých každá má priradený špecifický binárny kód.


Plynulá závislosť amplitúdy signálu od času A(t) je teda nahradená diskrétnou sekvenciou úrovní hlasitosti. Na grafe to vyzerá ako nahradenie hladkej krivky sekvenciou „krokov“.

Každému „kroku“ je priradená úroveň hlasitosti a jej kód (1, 2, 3 atď.). Úrovne hlasitosti zvuku si možno predstaviť ako súbor možných stavov, resp veľká kvantitaúrovne hlasitosti budú počas procesu kódovania zvýraznené, tým viac informácií bude niesť význam každej úrovne a tým lepší bude zvuk. Moderné zvukové karty poskytujú 16-bitovú hĺbku kódovania zvuku. Počet rôznych úrovní signálu (stavov pre dané kódovanie) možno vypočítať pomocou vzorca:
N=2 16 =65356[hladiny zvuku],
kde I je hĺbka kódovania.

Moderné zvukové karty teda môžu poskytnúť kódovanie 65536 úrovní signálu. Každá hodnota amplitúdy zvukového signálu má priradený 16-bitový kód.

Pri binárnom kódovaní súvislého zvukového signálu je tento nahradený sekvenciou diskrétnych úrovní signálu. Kvalita kódovania závisí od počtu meraní úrovne signálu za jednotku času, teda od vzorkovacej frekvencie. Čím viac meraní sa vykoná za 1 sekundu (čím vyššia je vzorkovacia frekvencia), tým presnejší je postup binárneho kódovania.

Kvalita binárneho kódovania zvuku je určená hĺbkou kódovania a vzorkovacou frekvenciou.

Počet meraní za sekundu sa môže pohybovať od 8 000 do 96 000, to znamená, že vzorkovacia frekvencia analógového audio signálu môže nadobúdať hodnoty od 8 do 96 [kHz]. Pri frekvencii 8[kHz] zodpovedá kvalita vzorkovaného zvukového signálu kvalite rozhlasového vysielania a pri frekvencii 96[kHz] kvalite zvuku zvukového CD. Treba tiež vziať do úvahy, že sú možné mono aj stereo režimy.

Informačná hlasitosť zvukového súboru

Na určenie hlasitosti zvukového súboru V zf je potrebné vynásobiť počet meraní K meas hĺbkou kódovania (počet bitov na úroveň) V 1meas:

V zf = K meas * V 1 meas

Kde počet meraní K meas závisí od:

Problém 1


Domáca úloha

1 Určite hlasitosť stereo audio súboru pri vzorkovacej frekvencii (dd) [kHz], čase zvuku (gg) [s] pre (mm)-bitové kódovanie.

2 Určite čas prehrávania v [s] mono zvukového súboru s hlasitosťou rovnajúcou sa (yy) [KB], s hĺbkou kódovania (mm) [BIT] a vzorkovacou frekvenciou (dd) [kHz].
Kde (dd) je váš dátum narodenia, (mm) je mesiac vášho narodenia, (yy) je rok vášho narodenia.