Rezolvarea problemelor de codificare a informațiilor audio.
- Partea teoretică
Atunci când rezolvă probleme, elevii se bazează pe următoarele concepte:
Eșantionarea timpului- un proces în care, în timpul codificării unui semnal audio continuu, unda sonoră este împărțită în secțiuni de timp mici separate și pentru fiecare astfel de secțiune este setată o anumită valoare a amplitudinii. Cu cât amplitudinea semnalului este mai mare, cu atât sunetul este mai puternic.
Adâncimea sunetului (adâncimea codării) - numărul de biți per codificare audio.
Numărul de niveluri de volum diferite este calculat folosind formula N= 2 eu , unde I este profunzimea sunetului.
Frecvența de eșantionare– numărul de măsurători ale nivelului semnalului de intrare pe unitatea de timp (pe 1 secundă). Cu cât este mai mare rata de eșantionare, cu atât este mai precisă procedura de codificare binară. Frecvența este măsurată în Herți (Hz).
Calitatea codificării binare este o valoare care este determinată de adâncimea codificării și frecvența de eșantionare.
Lățimea de înregistrare- numărul de biți din registrul adaptorului audio. Cu cât capacitatea cifrelor este mai mare, cu atât eroarea fiecărei conversii individuale a mărimii curentului electric într-un număr este mai mică și invers. Dacă adâncimea de biți este egală cu I, atunci la măsurare se poate obține semnalul de intrare 2 eu =N valori diferite.
- Partea practică. Analiza si rezolvarea problemei.
Problema 1 . Estimați volumul de informații al unui fișier audio digital stereo care durează 20 de secunde, cu o adâncime de codare de 16 biți și o frecvență de eșantionare de 10.000 Hz? Prezentați rezultatul în KB, rotunjit la cea mai apropiată sutime.
Când rezolvăm astfel de probleme, trebuie să ne amintim următoarele:
Acel mono - 1 canal, stereo - 2 canale
Problema 2 . Determinați dimensiunea (în octeți) a unui fișier audio digital al cărui timp de redare este de 10 secunde la o rată de eșantionare de 22,05 kHz și o rezoluție de 8 biți.
Dat: I = 8 biți = 1 octet t = 10 sec η = 22,05 kHz = 22,05 * 1000 Hz = 22050 Hz | I - adâncimea de biți a plăcii de sunet, t - timpul de redare al fișierului audio, η - frecvența de eșantionare | Soluţie: V(Inform.) = I · η ·t V(Inform.) = 22050 *10 *1 = 220500 octeți Răspuns: V(Inform.) = 220500 octeți |
Găsi: V(volumul de informații)-? |
Eșantionarea sunetului în timp.
Sunetul este o undă sonoră cu amplitudine și frecvență care variază continuu. Cu cât este mai mare amplitudinea semnalului, cu atât este mai tare pentru o persoană, cu cât frecvența semnalului este mai mare, cu atât tonul este mai mare. Pentru ca un computer să proceseze sunetul, semnalul audio continuu trebuie convertit într-o secvență de impulsuri electrice (binare și zerouri).În procesul de codificare a unui semnal audio continuu, se realizează eșantionarea în timp a acestuia. O undă sonoră continuă este împărțită în secțiuni mici temporare separate și pentru fiecare astfel de secțiune este setată o anumită valoare a amplitudinii.
Discretizarea este conversia semnalelor continue într-un set de valori discrete, fiecăruia fiind atribuit un cod binar specific.
Astfel, dependența continuă a amplitudinii semnalului de timpul A(t) este înlocuită cu o secvență discretă de niveluri de volum. Pe grafic, aceasta arată ca și cum ar înlocui o curbă netedă cu o secvență de „pași”.
Fiecărui „pas” i se atribuie un nivel de volum al sunetului și codul acestuia (1, 2, 3 și așa mai departe). Nivelurile de volum al sunetului pot fi considerate ca un set de stări posibile, în consecință, cu cât sunt alocate mai multe niveluri de volum în timpul procesului de codificare, cu atât mai multe informații va conține valoarea fiecărui nivel și cu atât sunetul va fi mai bun. Plăcile de sunet moderne oferă o adâncime de codificare audio de 16 biți. Numărul de niveluri de semnal diferite (stări pentru o anumită codificare) poate fi calculat folosind formula:
N=2 16 =65356[nivele de zgomot],
unde I este adâncimea de codare.
Astfel, plăcile de sunet moderne pot oferi codificare a 65536 nivele de semnal. Fiecărei valori de amplitudine a semnalului audio i se atribuie un cod de 16 biți.
La codificarea binară a unui semnal audio continuu, acesta este înlocuit cu o secvență de niveluri de semnal discrete. Calitatea codificării depinde de numărul de măsurători ale nivelului de semnal pe unitatea de timp, adică de frecvența de eșantionare. Cu cât se fac mai multe măsurători în 1 secundă (cu cât frecvența de eșantionare este mai mare), cu atât procedura de codificare binară este mai precisă.
Calitatea codificării audio binare este determinată de adâncimea codificării și rata de eșantionare.
Numărul de măsurători pe secundă poate varia de la 8000 la 96.000, adică frecvența de eșantionare a unui semnal audio analogic poate lua valori de la 8 la 96 [kHz]. La o frecvență de 8[kHz], calitatea semnalului audio eșantionat corespunde calității unei emisiuni radio, iar la o frecvență de 96[kHz], calității sunetului unui CD audio. De asemenea, trebuie luat în considerare faptul că sunt posibile atât modurile mono, cât și cele stereo.
Volumul de informații al unui fișier de sunet
Pentru a determina volumul fișierului audio V zf este necesar să se înmulțească numărul de măsurători K meas cu adâncimea de codare (număr de biți pe nivel) V 1meas:V zf = K meas * V 1meas
Unde numărul de măsurători K meas depinde de:
Problema 1
Teme pentru acasă
1 Determinați volumul unui fișier audio stereo, la frecvența de eșantionare (dd) [kHz], timpul sunetului (gg) [s] pentru codarea pe biți (mm).2 Determinați timpul de redare în [s] al unui fișier audio mono cu un volum egal cu (yy) [KB], cu adâncimea de codificare (mm) [BIT] și frecvența de eșantionare (dd) [kHz].
Unde (dd) este data nașterii, (mm) este luna nașterii, (aa) este anul nașterii.
Cu amplitudine și frecvență diferite. Cu cât amplitudinea semnalului este mai mare, cu atât este mai puternic perceput de o persoană. Cu cât frecvența semnalului este mai mare, cu atât tonul acestuia este mai mare.
Figura 1. Amplitudinea vibrațiilor undelor sonore
Frecvența undelor sonore determinată de numărul de vibrații pe secundă. Această valoare este măsurată în herți (Hz, Hz).
Urechea umană percepe sunete în intervalul de la $20$ Hz la $20$ kHz, acest interval se numește sunet. Se numește numărul de biți alocați unui semnal sonor adâncimea codării audio. Plăcile de sunet moderne oferă o adâncime de codificare audio de 16 USD, 32 USD sau 64 USD de biți. În procesul de codificare a informațiilor audio, un semnal continuu este înlocuit discret, adică este convertit într-o secvență de impulsuri electrice constând din zerouri și unuuri binare.
Rata de eșantionare audio
Una dintre caracteristicile importante ale procesului de codificare audio este rata de eșantionare, care este numărul de măsurători ale nivelului semnalului pe $1$ secundă:
- o măsurătoare pe secundă corespunde unei frecvențe de $1$ gigahertz (GHz);
- Măsurătorile de $1000$ pe secundă corespund unei frecvențe de $1$ kilohertz (kHz).
Definiția 2
Rata de eșantionare audio este numărul de măsurători ale volumului sunetului într-o secundă.
Numărul de măsurători poate fi în intervalul de la $8$ kHz la $48$ kHz, prima valoare corespunzând frecvenței transmisiilor radio, iar a doua calității sunetului suportului muzical.
Nota 1
Cu cât frecvența și adâncimea de eșantionare a sunetului sunt mai mari, cu atât sunetul digitizat va suna de calitate mai mare. Cea mai scăzută calitate a sunetului digitalizat, care corespunde calității comunicației telefonice, se obține atunci când frecvența de eșantionare este de 8000 de ori pe secundă, adâncimea de eșantionare este de $8$ biți, ceea ce corespunde înregistrării unei piese audio (mod mono). Cea mai înaltă calitate a sunetului digitizat, care corespunde calității unui CD audio, este obținută atunci când frecvența de eșantionare este de 48.000 de dolari pe secundă, adâncimea de eșantionare este de 16 $ biți, ceea ce corespunde înregistrării a două piese audio (mod stereo).
Volumul de informații al unui fișier de sunet
Trebuie remarcat faptul că, cu cât este mai mare calitatea sunetului digital, cu atât este mai mare volumul de informații al fișierului de sunet.
Să estimăm volumul de informații al unui fișier audio mono ($V$), acest lucru se poate face folosind formula:
$V = N \cdot f \cdot k$,
unde $N$ este durata totală a sunetului, exprimată în secunde,
$f$ - frecvența de eșantionare (Hz),
$k$ - adâncimea de codificare (biți).
Exemplul 1
De exemplu, dacă durata sunetului este de $1$ minut și avem o calitate medie a sunetului la care frecvența de eșantionare este $24$ kHz și adâncimea de codificare este $16$ biți, atunci:
$V=60 \cdot 24000 \cdot 16 \bit=23040000 \bit=2880000 \byte = 2812,5 \KB=2,75 \MB.$
La codificarea audio stereo, procesul de eșantionare este efectuat separat și independent pentru canalele stânga și dreapta, ceea ce, în consecință, dublează dimensiunea fișierului audio în comparație cu audio mono.
Exemplul 2
De exemplu, să estimăm volumul de informații al unui fișier audio digital stereo, a cărui durată a sunetului este egală cu $1$ secundă cu o calitate medie a sunetului ($16$ biți, $24000$ măsurători pe secundă). Pentru a face acest lucru, înmulțiți adâncimea de codificare cu numărul de măsurători pe $1$ secundă și înmulțiți cu $2$ (sunet stereo):
$V=16 \bit \cdot 24000 \cdot 2 = 768000 \bit = 96000 \byte = 93,75 \KB.$
Metode de bază de codificare a informațiilor audio
Există diverse metode de codificare a informațiilor audio cu cod binar, printre care există două direcții principale: Metoda FMȘi Metoda Wave-Table.
Metoda FM (Modulația de frecvență) se bazează pe faptul că teoretic orice sunet complex poate fi descompus într-o succesiune de semnale armonice simple de frecvențe diferite, fiecare dintre ele va reprezenta o sinusoidă obișnuită, ceea ce înseamnă că poate fi descris printr-un cod. Procesul de descompunere a semnalelor sonore în serii armonice și reprezentarea lor sub formă de semnale digitale discrete are loc în dispozitive speciale numite „convertoare analog-digitale” (ADC).
Figura 2. Conversia unui semnal audio într-un semnal discret
Figura 2a prezintă semnalul audio la intrarea ADC, iar Figura 2b prezintă semnalul discret deja convertit la ieșirea ADC.
Pentru conversia inversă la redarea sunetului, care este prezentat sub forma unui cod numeric, se folosesc convertoare digital-analogice (DAC). Procesul de conversie a sunetului este prezentat în Fig. 3. Această metodă de codificare nu oferă o calitate bună a sunetului, dar oferă un cod compact.
Figura 3. Transformarea unui semnal discret într-un semnal audio
Figura 3a arată semnalul discret pe care îl avem la intrarea DAC-ului, iar Figura 3b arată semnalul audio la ieșirea DAC-ului.
Metoda tabel-undă (Wave-Masa) se bazează pe faptul că tabele pregătite în prealabil stochează mostre ale sunetelor lumii înconjurătoare, instrumente muzicale etc. Codurile numerice exprimă înălțimea, durata și intensitatea sunetului și alți parametri care caracterizează caracteristicile sunetului. Deoarece sunetele „reale” sunt folosite ca mostre, calitatea sunetului obținut în urma sintezei este foarte ridicată și se apropie de calitatea sunetului instrumentelor muzicale reale.
Exemple de formate de fișiere audio
Fișierele de sunet vin în mai multe formate. Cele mai populare dintre ele sunt MIDI, WAV, MP3.
format MIDI(Musical Instrument Digital Interface) a fost inițial destinat controlului instrumentelor muzicale. Utilizat în prezent în domeniul instrumentelor muzicale electronice și modulelor de sinteză pe computer.
Format de fișier audio WAV(forma de undă) reprezintă sunetul arbitrar ca o reprezentare digitală a vibrației sonore originale sau a undei sonore. Toate sunetele standard Windows au o extensie WAV.
format MPZ(MPEG-1 Audio Layer 3) este unul dintre formatele digitale pentru stocarea informațiilor audio. Oferă o calitate superioară a codificării.
Atunci când rezolvă probleme, elevii se bazează pe următoarele concepte:
Eșantionarea timpului - un proces în care, în timpul codificării unui semnal audio continuu, unda sonoră este împărțită în secțiuni de timp mici separate și pentru fiecare astfel de secțiune este setată o anumită valoare a amplitudinii. Cu cât amplitudinea semnalului este mai mare, cu atât sunetul este mai puternic.
Adâncimea audio (adâncimea de codificare) - numărul de biți per codificare audio.
Niveluri de volum (niveluri de semnal)- sunetul poate avea diferite niveluri de volum. Numărul de niveluri de volum diferite este calculat folosind formula N = 2 eu Unde eu – adâncimea sunetului.
Frecvența de eșantionare – numărul de măsurători ale nivelului semnalului de intrare pe unitatea de timp (pe 1 secundă). Cu cât este mai mare rata de eșantionare, cu atât este mai precisă procedura de codificare binară. Frecvența este măsurată în Herți (Hz). 1 măsurătoare la 1 secundă -1 Hz.
1000 de măsurători în 1 secundă 1 kHz. Să notăm rata de eșantionare prin literă D. Pentru codificare, alegeți una dintre cele trei frecvențe: 44,1 KHz, 22,05 KHz, 11,025 KHz.
Se crede că gama de frecvențe pe care o aude o persoană provine20 Hz până la 20 kHz .
Calitatea codificării binare - o valoare care este determinată de adâncimea de codificare și frecvența de eșantionare.
Adaptor audio (placa de sunet) – un dispozitiv care convertește vibrațiile electrice ale frecvenței sunetului într-un cod binar numeric la introducerea sunetului și invers (de la un cod numeric în vibrații electrice) la redarea sunetului.
Specificații adaptor audio: frecvența de eșantionare și adâncimea de biți a registrului.).
Dimensiunea registrului - numărul de biți din registrul adaptorului audio. Cu cât capacitatea cifrelor este mai mare, cu atât eroarea fiecărei conversii individuale a mărimii curentului electric într-un număr este mai mică și invers. Dacă adâncimea de biți este eu , atunci la măsurare se poate obține semnalul de intrare 2 eu = N sensuri diferite.
Dimensiunea fișierului audio digital mono ( A ) se măsoară cu formula:
A = D * T * eu /8 , Unde D – frecvența de eșantionare (Hz), T – ora redării sau înregistrării sunetului, eu lățimea registrului (rezoluție). Conform acestei formule, dimensiunea este măsurată în octeți.
Dimensiunea fișierului audio digital stereo ( A ) se măsoară cu formula:
A =2* D * T * eu /8 , semnalul este înregistrat pentru două difuzoare, deoarece canalele de sunet stânga și dreapta sunt codificate separat.
Este util pentru elevi să emită tabelul 1, care arată câți MB va ocupa un minut codificat de informații audio la diferite rate de eșantionare:
Frecvența de eșantionare, kHz
44,1
22,05
11,025
16 biți, stereo
10,1 MB
5,05 MB
2,52 MB
16 biți, mono
5,05 MB
2,52 MB
1,26 MB
8 biți, mono
2,52 MB
1,26 MB
630 KB
1. Dimensiunea fișierului digital
Nivelul „3”
1. Determinați dimensiunea (în octeți) a unui fișier audio digital al cărui timp de redare este de 10 secunde la o rată de eșantionare de 22,05 kHz și o rezoluție de 8 biți. Fișierul nu este comprimat. (, pagina 156, exemplu 1)
Soluţie:
Formula pentru calculul mărimii(în octeți) fișier audio digital: A = D * T * eu /8.
Pentru a converti în octeți, valoarea rezultată trebuie împărțită la 8 biți.
22,05 kHz = 22,05 * 1000 Hz = 22050 Hz
A = D * T * eu /8 = 22050 x 10 x 8 / 8 = 220500 octeți.
Răspuns: Dimensiunea fișierului este de 220500 octeți.
2. Determinați cantitatea de memorie pentru stocarea unui fișier audio digital, al cărui timp de redare este de două minute la o frecvență de eșantionare de 44,1 kHz și o rezoluție de 16 biți. (, p. 157, nr. 88)
Soluţie:
A = D * T * eu /8. – cantitatea de memorie pentru stocarea unui fișier audio digital.
44100 (Hz) x 120 (s) x 16 (biți) / 8 (biți) = 10584000 octeți = 10335,9375 KB = 10,094 MB.
Răspuns: ≈ 10 MB
Nivelul „4”
3. Utilizatorul are o capacitate de memorie de 2,6 MB. Este necesar să înregistrați un fișier audio digital cu o durată a sunetului de 1 minut. Care ar trebui să fie frecvența de eșantionare și adâncimea de biți? (, p. 157, nr. 89)
Soluţie:
Formula pentru calcularea ratei de eșantionare și a adâncimii de biți:D* eu=A/T
(capacitatea memoriei în octeți) : (timpul sunetului în secunde):
2,6 MB = 2726297,6 octeți
D* eu=A/T= 2726297,6 octeți: 60 = 45438,3 octeți
D= 45438,3 octeți : eu
Lățimea adaptorului poate fi de 8 sau 16 biți. (1 octet sau 2 octeți). Prin urmare, rata de eșantionare poate fi sau 45438,3 Hz = 45,4 kHz ≈ 44,1 kHz–frecvența de eșantionare caracteristică standard sau 22719,15 Hz = 22,7 kHz ≈ 22,05 kHz- rata de eșantionare caracteristică standard
Răspuns:
4. Cantitatea de memorie liberă de pe disc este de 5,25 MB, adâncimea de biți a plăcii de sunet este de 16. Care este durata sunetului unui fișier audio digital înregistrat cu o frecvență de eșantionare de 22,05 kHz? (, p. 157, nr. 90)Soluţie:
Formula de calcul a duratei sunetului: T =A /D /I
(capacitatea memoriei în octeți) : (frecvența de eșantionare în Hz) : (capacitatea plăcii de sunet în octeți):
5,25 MB = 5505024 octeți
5505024 octeți: 22050 Hz: 2 octeți = 124,8 secunde
Răspuns: 124,8 secunde
5. Un minut de înregistrare a unui fișier audio digital ocupă 1,3 MB de spațiu pe disc, adâncimea de biți a plăcii de sunet este de 8. La ce frecvență de eșantionare este înregistrat sunetul? (, p. 157, nr. 91)
Soluţie:
Formula pentru calcularea ratei de eșantionare: D=A/T/ eu
(capacitatea memoriei în octeți) : (timp de înregistrare în secunde) : (capacitatea plăcii de sunet în octeți)
1,3 MB = 1363148,8 octeți
1363148,8 octeți: 60:1 = 22719,1 Hz
Răspuns: 22,05 kHz
6. Două minute de înregistrare a unui fișier audio digital ocupă 5,1 MB de spațiu pe disc. Frecvența de eșantionare - 22050 Hz. Care este adâncimea de biți a adaptorului audio? (, p. 157, nr. 94)
Soluţie:
Formula pentru calcularea adâncimii de biți: (capacitatea memoriei în octeți): (timpul de sunet în secunde): (frecvența de eșantionare):
5,1 MB= 5347737,6 octeți
5347737,6 octeți: 120 sec: 22050 Hz= 2,02 octeți = 16 biți
Răspuns: 16 biți
7. Cantitatea de memorie liberă de pe disc este de 0,01 GB, adâncimea de biți a plăcii de sunet este de 16. Care este durata sunetului unui fișier audio digital înregistrat cu o frecvență de eșantionare de 44100 Hz? (, p. 157, nr. 95)
Soluţie:
Formula pentru calcularea duratei sunetului T = A / D / I
(capacitatea memoriei în octeți) : (frecvența de eșantionare în Hz) : (capacitatea plăcii de sunet în octeți)
0,01 GB = 10737418,24 octeți
10737418,24 octeți: 44100: 2 = 121,74 sec = 2,03 min
Răspuns: 20,3 minute
8.
Estimați volumul de informații al unui fișier audio mono cu o durată a sunetului de 1 minut. dacă „adâncimea” de codificare și frecvența de eșantionare a semnalului audio sunt egale, respectiv:
a) 16 biți și 8 kHz;
b) 16 biți și 24 kHz.
(, p. 76, nr. 2.82)
Soluţie:
A).
16 biți x 8.000 = 128.000 de biți = 16.000 de biți = 15,625 KB/s
15,625 KB/s x 60 s = 937,5 KB
b).
1) Volumul de informații al unui fișier de sunet care durează 1 secundă este egal cu:
16 biți x 24.000 = 384.000 de biți = 48.000 de biți = 46,875 KB/s
2) Volumul de informații al unui fișier de sunet care durează 1 minut este egal cu:
46,875 KB/s x 60 s = 2812,5 KB = 2,8 MB
Răspuns: a) 937,5 KB; b) 2,8 MB
Nivelul „5”
Se folosește tabelul 1
9. Câtă memorie este necesară pentru a stoca un fișier audio digital cu înregistrare audio de înaltă calitate, cu condiția ca timpul de redare să fie de 3 minute? (, p. 157, nr. 92)
Soluţie:
Calitatea ridicată a sunetului este obținută la o frecvență de eșantionare de 44,1 kHz și o adâncime de biți a adaptorului audio de 16.
Formula pentru calcularea capacității de memorie: (timpul de înregistrare în secunde) x (capacitatea plăcii de sunet în octeți) x (frecvența de eșantionare):
180 s x 2 x 44100 Hz = 15876000 octeți = 15,1 MB
Răspuns: 15,1 MB
10. Fișierul audio digital conține înregistrare audio de calitate scăzută (sunetul este întunecat și înfundat). Care este durata unui fișier dacă dimensiunea acestuia este de 650 KB? (, p. 157, nr. 93)
Soluţie:
Următorii parametri sunt tipici pentru sunetul sumbru și înfundat: frecvența de eșantionare - 11,025 KHz, adâncimea de biți a adaptorului audio - 8 biți (vezi Tabelul 1). Atunci T =A /D /I. Să convertim volumul în octeți: 650 KB = 665600 octeți
Т=665600 octeți/11025 Hz/1 octet ≈60,4 s
Răspuns: durata sunetului este de 60,5 s
Soluţie:
Volumul de informații al unui fișier de sunet care durează 1 secundă este egal cu:
16 biți x 48.000 x 2 = 1.536.000 biți = 187,5 KB (înmulțit cu 2, deoarece stereo).
Volumul de informații al unui fișier de sunet care durează 1 minut este egal cu:
187,5 KB/s x 60 s ≈ 11 MB
Răspuns: 11 MB
Răspuns: a) 940 KB; b) 2,8 MB.
12.
Calculați timpul de redare al unui fișier audio mono dacă, cu codificare pe 16 biți și o frecvență de eșantionare de 32 kHz, volumul acestuia este egal cu:
a) 700 KB;
b) 6300 KB
(, p. 76, nr. 2.84)
Soluţie:
A).
1) Volumul de informații al unui fișier de sunet care durează 1 secundă este egal cu:
700 KB: 62,5 KB/s = 11,2 s
b).
1) Volumul de informații al unui fișier de sunet care durează 1 secundă este egal cu:
16 biți x 32.000 = 512.000 de biți = 64.000 de biți = 62,5 KB/s
2) Timpul de redare al unui fișier audio mono de 700 KB este:
6300 KB: 62,5 KB/s = 100,8 s = 1,68 min
Răspuns: a) 10 secunde; b) 1,5 min.
13. Calculați câți octeți de informații ocupă o secundă de înregistrare stereo pe un CD (frecvență 44032 Hz, 16 biți pe valoare). Cât durează un minut? Care este capacitatea maximă a discului (presupunând o durată maximă de 80 de minute)? (, p. 34, exercițiul nr. 34)
Soluţie:
Formula pentru calcularea dimensiunii memorieiA
=
D
*
T
*
eu
:
(timp de înregistrare în secunde) * (capacitatea plăcii de sunet în octeți) * (frecvența de eșantionare). 16 biți -2 octeți.
1) 1s x 2 x 44032 Hz = 88064 octeți (înregistrare CD stereo de 1 secundă)
2) 60s x 2 x 44032 Hz = 5283840 octeți (1 minut de înregistrare stereo CD)
3) 4800s x 2 x 44032 Hz = 422707200 octeți = 412800 KB = 403,125 MB (80 de minute)
Răspuns: 88064 octeți (1 secundă), 5283840 octeți (1 minut), 403,125 MB (80 minute)
2. Determinarea calității sunetului.
Pentru a determina calitatea sunetului, trebuie să găsiți frecvența de eșantionare și să utilizați tabelul nr. 1
256 (2 8) niveluri de intensitate a semnalului - calitatea sunetului transmisiei radio, folosind 65536 (2 16) niveluri de intensitate a semnalului - calitatea sunetului CD audio. Frecvența de cea mai înaltă calitate corespunde muzicii înregistrate pe un CD. Mărimea semnalului analogic este măsurată în acest caz de 44.100 de ori pe secundă.
Nivelul „5”
13. Determinați calitatea sunetului (calitate transmisie radio, calitate medie, calitate CD audio) dacă se știe că volumul unui fișier audio mono cu o durată a sunetului de 10 secunde. este egal cu:
a) 940 KB;
b) 157 KB.
(, p. 76, nr. 2.83)
Soluţie:
A).
1) 940 KB = 962560 de biți = 7700480 de biți
2) 7700480 biți: 10 sec = 770048 biți/s
3) 770048 bps: 16 biți = 48128 Hz – rata de eșantionare – aproape de cea mai mare 44,1 kHz
Răspuns: calitate CD audio
b).
1) 157 KB = 160768 de biți = 1286144 de biți
2) 1286144 biți: 10 secunde = 128614,4 biți/s
3) 128614,4 bps: 16 biți = 8038,4 Hz
Răspuns: calitatea difuzării
Răspuns: a) calitate CD; b) calitatea emisiunii radio.
14. Determinați lungimea fișierului audio care se va potrivi pe o dischetă de 3,5”. Vă rugăm să rețineți că 2847 de sectoare de 512 octeți sunt alocate pentru a stoca date pe o astfel de dischetă.
a) cu calitate scăzută a sunetului: mono, 8 biți, 8 kHz;
b) cu o calitate ridicată a sunetului: stereo, 16 biți, 48 kHz.
(, p. 77, nr. 2.85)
Soluţie:
A).
8 biți x 8.000 = 64.000 de biți = 8.000 de biți = 7,8 KB/s
3) Timpul de redare al unui fișier audio mono cu un volum de 1423,5 KB este egal cu:
1423,5 KB: 7,8 KB/s = 182,5 s ≈ 3 min
b).
1) Volumul de informații al unei dischete este egal cu:
2847 sectoare x 512 octeți = 1457664 octeți = 1423,5 KB
2) Volumul de informații al unui fișier de sunet care durează 1 secundă este egal cu:
16 biți x 48.000 x 2= 1.536.000 de biți = 192.000 de biți = 187,5 KB/s
3) Timpul de redare al unui fișier audio stereo cu un volum de 1423,5 KB este egal cu:
1423,5 KB: 187,5 KB/s = 7,6 s
Răspuns: a) 3 minute; b) 7,6 secunde.
3. Codare audio binară.
La rezolvarea problemelor, el folosește următorul material teoretic:
Pentru a codifica audio, semnalul analogic prezentat în figură
planul este împărțit în linii verticale și orizontale. Partiționarea verticală este eșantionarea semnalului analogic (frecvența de măsurare a semnalului), partiționarea orizontală estecuantizarea după nivel. Acestea. Cu cât grila este mai fină, cu atât este mai bună aproximarea sunetului analogic folosind numere. Cuantizarea pe opt biți este utilizată pentru a digitiza vorbirea obișnuită (conversația telefonică) și transmisiile radio cu unde scurte. Șaisprezece biți – pentru digitizarea muzicii și a transmisiilor radio VHF (undă ultrascurtă).
Nivelul „3”
15. Semnalul audio analogic a fost eșantionat mai întâi utilizând 256 de intensități ale semnalului (calitate a sunetului difuzat) și apoi folosind 65.536 de intensități de semnal (calitate audio CD). De câte ori diferă volumele de informații ale sunetului digitalizat? (, p. 77, nr. 2.86)
Soluţie:
Lungimea codului unui semnal analogic folosind 256 de niveluri de intensitate a semnalului este de 8 biți, folosind 65536 niveluri de intensitate a semnalului sunt egale cu 16 biți. Deoarece lungimea codului unui semnal s-a dublat, volumele de informații ale sunetului digitizat diferă cu un factor de 2.
Raspuns: de 2 ori.
Nivelul " 4 »
16. Conform teoremei Nyquist-Kotelnikov, pentru ca un semnal analogic să fie reconstruit cu acuratețe din reprezentarea sa discretă (din mostrele sale), frecvența de eșantionare trebuie să fie de cel puțin două ori frecvența audio maximă a acelui semnal.
Care ar trebui să fie rata de eșantionare a sunetului perceptibil de om?
Care ar trebui să fie mai mare: rata de eșantionare a vorbirii sau rata de eșantionare a unei orchestre simfonice?
Scop: Introducerea studenților în caracteristicile hardware și software pentru lucrul cu sunetul. Tipuri de activități: atragerea de cunoștințe de la un curs de fizică (sau lucrul cu cărți de referință). (, p. ??, sarcina 2)
Soluţie:
Se crede că intervalul de frecvențe pe care oamenii le aud este de la 20 Hz la 20 kHz. Astfel, conform teoremei Nyquist-Kotelnikov, pentru ca un semnal analogic să fie reconstruit cu precizie din reprezentarea sa discretă (din mostrele sale),Rata de eșantionare trebuie să fie de cel puțin două ori frecvența audio maximă a semnalului respectiv. Frecvența maximă a sunetului pe care o poate auzi o persoană este de 20 KHz, ceea ce înseamnă că dispozitivul Ra și software-ul trebuie să ofere o frecvență de eșantionare de cel puțin 40 kHz, sau mai precis 44,1 kHz. Procesarea computerizată a sunetului unei orchestre simfonice necesită o rată de eșantionare mai mare decât procesarea vorbirii, deoarece intervalul de frecvență în cazul unei orchestre simfonice este mult mai mare.
Răspuns: nu mai puțin de 40 kHz, frecvența de eșantionare a unei orchestre simfonice este mai mare.
Nivelul „5”
17. Figura arată sunetul de 1 secundă de vorbire înregistrat de un reportofon. Codificați-l în cod digital binar cu o frecvență de 10 Hz și o lungime a codului de 3 biți. (, p. ??, sarcina 1)
Soluţie:
Codificarea la 10 Hz înseamnă că trebuie să măsuram înălțimea de 10 ori pe secundă. Să alegem momente echidistante de timp:
O lungime a codului de 3 biți înseamnă 2 3 = 8 nivele de cuantizare. Adică, ca cod numeric pentru înălțimea sunetului la fiecare moment selectat de timp, putem seta una dintre următoarele combinații: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Există doar 8 dintre prin urmare, înălțimea sunetului poate fi măsurată la 8 „niveluri”:
Vom „rotunji” valorile pasului la cel mai apropiat nivel inferior:
Folosind această metodă de codificare, obținem următorul rezultat (spatiile sunt incluse pentru ușurința percepției): 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.
Notă.Este recomandabil să atrageți atenția elevilor asupra cât de inexacte transmite codul modificarea amplitudinii. Adică, frecvența de eșantionare este de 10 Hz, iar nivelul de cuantizare este 2 3 (3 biți) sunt prea mici. De obicei, pentru sunet (voce), se alege o frecvență de eșantionare de 8 kHz, adică de 8000 de ori pe secundă, și un nivel de cuantizare de 2 8 (cod lung de 8 biți).
Raspuns: 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.
18. Explicați de ce nivelul de cuantizare este, alături de frecvența de eșantionare, principalele caracteristici ale reprezentării sunetului într-un calculator.Obiective: pentru a consolida înțelegerea de către studenți a conceptelor de „acuratețea reprezentării datelor”, „eroare de măsurare”, „eroare de reprezentare”; Examinați codarea binară și lungimea codului cu studenții. Tip de activitate: lucrul cu definiții de concepte. (, p. ??, sarcina 3)
Soluţie:
În geometrie, fizică și tehnologie, există conceptul de „precizie de măsurare”, care este strâns legat de conceptul de „eroare de măsurare”. Dar există și un concept„precizia reprezentării”.
De exemplu, despre înălțimea unei persoane putem spune că este: a) aproximativ. 2 m, b) puțin mai mult de 1,7 m, c) egal cu 1 m 72 cm, d) egal cu 1 m 71 cm 8 mm. Adică, 1, 2, 3 sau 4 cifre pot fi folosite pentru a indica înălțimea măsurată.
Același lucru este valabil și pentru codificarea binară. Dacă sunt folosiți doar 2 biți pentru a înregistra înălțimea unui sunet la un anumit moment de timp, atunci, chiar dacă măsurătorile au fost precise, pot fi transmise doar 4 nivele: scăzut (00), sub medie (01), peste medie ( 10), mare (11). Dacă utilizați 1 octet, puteți transfera 256 de niveluri. Cumnivel de cuantizare mai mare
, sau, care este la fel caCu cât sunt alocați mai mulți biți pentru înregistrarea valorii măsurate, cu atât această valoare este transmisă mai precis.
Notă.De remarcat că instrumentul de măsură trebuie să suporte și nivelul de cuantizare selectat (nu are rost să reprezinte lungimea măsurată cu o riglă cu diviziuni decimetrice cu o precizie de milimetru).
Răspuns: cu cât nivelul de cuantizare este mai mare, cu atât sunetul este transmis mai precis.
Literatură:
[ 1] Informatică. Cartea-atelier de probleme în 2 volume /Ed. IG. Semakina, E.K. Henner: Volumul 1. – Laboratorul de cunoștințe de bază, 1999 – 304 p.: ill.
Atelier de informatică și tehnologia informației. Manual pentru instituții de învățământ / N.D. Ugrinovich, L.L. Bosova, N.I. Mihailova. – M.: Binom. Laboratorul de Cunoaștere, 2002. 400 p.: ill.
Informatica la scoala: Supliment la revista „Informatica si Educatie”. Nr. 4 - 2003. - M.: Educaţie şi Informatică, 2003. - 96 p.: ill.
Kushnirenko A.G., Leonov A.G., Epictetov M.G. și altele. Cultura informațională: codificarea informațiilor. Modele de informare. Clasele 9-10: Manual pentru instituțiile de învățământ general. - Ed. a 2-a. - M.: Butarda, 1996. - 208 p.: ill.
Gein A.G., Senokosov A.I. Manual de informatică pentru școlari. - Ekaterinburg: „U-Factoria”, 2003. - 346. p54-56.
Cunoașterea este alcătuită din mici
boabe de experiență zilnică.
DI. Pisarev
Obiective:
Aplicarea cunoștințelor teoretice în practică.
Obiectivele lecției:
Învață principiul codificării binare la digitalizarea sunetului;
Introduceți conceptul de eșantionare în timp a sunetului;
Stabiliți relația dintre calitatea codificării audio, adâncimea codificării și frecvența de eșantionare;
Învață să evaluezi volumul de informații al unui fișier audio;
Înregistrați sunetul folosind un computer, salvați-l în fișiere audio în format WAV și redați-l.
În timpul orelor:
I. Moment organizatoric
1. Se aude muzica
2. Cuvintele profesorului:
Subiectul lecției noastre este „Codificarea binară a informațiilor audio”. Astăzi ne vom familiariza cu conceptul de eșantionare a sunetului în timp, vom stabili experimental relația dintre calitatea codificării sunetului, adâncimea codificării și frecvența de eșantionare, vom învăța cum să estimam dimensiunea fișierelor audio, să înregistrăm sunetul folosind un computer, să îl salvam în fișierele de sunet. în format WAV și redați-l.
II. Actualizarea cunoștințelor elevilor.
Întrebări: (scrieți răspunsurile în formularul nr. 1)
1. Enumerați tipurile de existență a informațiilor? (numeric, text, grafic, sunet).
2. Ce cuvânt cheie poate fi selectat pentru secvența video? (codificarea informațiilor).
3. Ce se numește adâncimea sunetului? (adâncimea sunetului sau adâncimea codării - numărul de biți de informații per codificare audio).
4. Ce niveluri de volum poate avea sunetul? (sunetul poate avea niveluri de volum diferite.
6. Care este formula pentru calcularea dimensiunii unui fișier audio digital mono?
(A=D*T*I).
D - frecvența de prelevare;
T - timpul redării sau înregistrării sunetului;
I - înregistrează dimensiunea biților.
7. Care este formula pentru calcularea dimensiunii unui fișier audio digital stereo?
A=2*D*T*I
III. Rezolvarea problemelor. Problema nr. 1 (Semakin. No. 88 p. 157, cartea de probleme nr. 1). Formularul nr. 1.
Determinați cantitatea de memorie pentru stocarea unui fișier audio digital, al cărui timp de redare este de două minute la o frecvență de eșantionare de 44,1 kHz și o extensie de 16 biți.
IV. Învățarea de materiale noi.
De la începutul anilor 90, computerele personale au putut lucra cu informații audio. Fiecare computer care are o placă de sunet, microfon și difuzoare poate înregistra, salva și reda informații audio.
Utilizarea unui software special (editoare de înregistrări) deschide posibilități largi de creare, editare și ascultare a fișierelor de sunet. Sunt create programe de recunoaștere a vorbirii și, ca urmare, devine posibilă controlul unui computer folosind vocea.
Din cursul dumneavoastră de fizică, știți că sunetul este o undă mecanică cu amplitudine și frecvență în continuă schimbare (Fig. 1). Cu cât amplitudinea este mai mare, cu atât sunetul este mai puternic, cu atât frecvența este mai mică, cu atât tonul este mai scăzut. Un computer este un dispozitiv digital, așa că un semnal audio continuu trebuie convertit într-o succesiune de impulsuri electrice (zero și unu). Pentru a face acest lucru, planul pe care este reprezentată grafic unda sonoră este împărțit în linii orizontale și verticale (Fig. 2 și Fig. 3). Liniile orizontale sunt nivelurile de volum, iar liniile verticale sunt numărul de măsurători pe secundă (o măsurătoare pe secundă este un hertz) sau frecvența de eșantionare (Hz). Această metodă vă permite să înlocuiți o dependență continuă cu o secvență discretă de niveluri de volum, fiecăruia fiind atribuită o valoare în cod binar (Fig. 4).
Numărul de niveluri de volum depinde de adâncimea sunetului - numărul de octeți utilizați pentru a codifica un nivel. De obicei, 8 kHz și nivel de cuantizare (lungimea codului de 8 biți). 
Fig.1 Fig.2
Fig.3 Fig.4
, unde N este numărul de niveluri de volum și I este adâncimea sunetului (biți)
Exemplu: Formularul nr. 3
Soluţie:
1) codificare cu o frecvență de 5 Hz - aceasta înseamnă că măsurătorile înălțimii sunetului au loc în 1 secundă. Adâncimea de 4 biți înseamnă că sunt utilizate 16 niveluri de volum.
Vom „rotunji” valorile înălțimii la cel mai apropiat nivel inferior. (Rezultat codificare: 1000 1000 1001 O11O 0111)
2) Pentru a calcula volumul de informaţie al sunetului codificat (A), se utilizează o formulă simplă: A = D * i * T, unde: D este frecvenţa de eşantionare (Hz); i - adâncimea sunetului (biți); T - timpul de joc (sec).
Obținem: A = 5 Hz * 4 biți * 1 sec = 20 biți.
V. Munca educațională independentă. Formularul nr. 5
VI. Sarcina de cercetare. Formularul nr. 6
Grupele nr. 1-5. Stabiliți o relație între calitatea codificării audio binare și volumul de informații al fișierului audio pentru informații audio de diferite conținuturi (vorbire monolog, discurs dialogic, poezie, cântec); relația dintre volumul de informații al fișierului și modul de înregistrare (mono, stereo).
Progresul lucrărilor de cercetare:
1) Completați formularul nr. 2.
2) Notează într-un tabel rezultatele obținute în timpul experimentului.
3) Trageți o concluzie.
VII. Rezumând munca de grup
VIII. Mini proiect Capacități muzicale și sonore.
Legendă: Program: „Un brad de Crăciun s-a născut în pădure”
SCRN 7
LINE (20,0)-(300,180),2,BF
PENTRU I=l LA 2000
X=280*RND+20 Y=180*RND
C=16*RND
PSET(X,Y),C
APOI EU
SOMMN 1
LINE (150,140)-(170,160),6,BF
PSET(110.140)
LINIA-(210,140), 10
LINIA-(160,110),10
LINIA-(110,140),10
VOPSEA (160,120), 10,10
LOCALIZARE 24.10
PRINT „Un brad de Crăciun s-a născut în pădure”
JOACĂ „ms+80 02 18 caajafcc”
PSET (120.110)
LINIA-(200,110),10
LINIA-(160,85),10
LINIA-(120,110),10
VOPSEA (160,90),10,10
LOCALIZARE 24.10
PRINT „Ea a crescut în pădure”
JOACĂ „caab->dc4”
PSET (130,85)
LINIA-(190,85),10
LINIA-(160,65),10
LINIA-(130,85), 10
VOPSEA (160,70),10,10
LOCALIZARE 24.10
TIPRIȚI „CEL MAI SUPLIMENT IARNĂ ȘI VARA”
JOACĂ „cu PSET (140,65)
LINE-(180,65), 10
LINIA -(160,50), 10
LINE - VOPSEA (160,60), 10,10
LOCALIZARE 24.10
IMPRIMĂ „GREEN WAS”
JOACĂ „caajofu”
DORMI
STOP
IX Rezumatul lecției
1). Monitorizarea nivelului de stăpânire a materialului programului
1. La o rată de eșantionare de 8 kHz, calitatea semnalului audio eșantionat corespunde cu:
- a) calitatea sunetului CD audio;
b) calitatea emisiunii radio;
c) calitate medie.
- a) DOC;
b) WAV;
c) BMP.
- A) privind frecvența de eșantionare și adâncimea de codificare;
b) asupra profunzimii culorii și rezoluției monitorului;
c) din standardul internațional de codificare.
- a) de 4 ori;
b) volumele sunt aceleași;
c) de 2 ori.
3). Cuvântul profesorului.
Desigur, evaluarea calității sunetului este în mare măsură subiectivă și depinde de percepția noastră. Un computer, la fel ca o persoană, codifică informațiile sonore în scopul stocării și redării ulterioare. Gândiți-vă, care este diferența dintre informațiile audio stocate în memoria computerului și în memoria umană? (Răspuns: la oameni, procesul de codificare a sunetului este strâns legat de emoții).
Astfel, computerul stochează sunetul, iar persoana stochează muzica!!! Muzica este singura limbă în care sufletul vorbește cu sufletul (Berthold Auerbach). Poate să se ridice în cer, să trezească simțurile, să leagă mintea și să insufle frică. Fiecare persoană are propria sa muzică. Ce emoții sau asocieri trezește în tine „Moonlight Sonata”?... Privirea caldă a unei persoane iubitoare, atingerea blândă a mâinii unei mame, iar acum este posibil ca aceste sunete încântătoare să-ți amintească de lecția ta de informatică. Toate acestea, vedeți, sunt inaccesibile codului binar digital.