Физические основы цифровой звукозаписи

Звук представляет собой упругие волны механических колебаний, распространяемых в твердой, жидкой или газообразной среде. Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Амплитуда звуковых колебаний воспринимается человеком как громкость, а частота колебаний как высота тона звука. Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. При записи и последующем воспроизведении звука производится ряд преобразований сигнала, характер которых изменяется в зависимости от выбранного способа сохранения звука и используемых технологий. Общая последовательность преобразований показана на рис.1 [1].

Прежде всего, звуковые колебания воздуха преобразуются в механические колебания чувствительного элемента – мембраны.

При механической звукозаписи колебания мембраны передаются на жестко связанный с ней резец, который прорезает канавку на стенке цилиндра (получим фонограф) или на поверхности диска (получим граммофон). При воспроизведении игла, двигающаяся по канавке, передаёт колебания на упругую мембрану, которая излучает звук. Звук усиливается при помощи рупора.

Механические колебания мембраны можно преобразовать в электрический сигнал. Для этого используется микрофон.

В конденсаторном микрофоне (и его разновидности – электретном микрофоне) мембрана соединена с подвижной пластиной конденсатора. Её колебания изменяют расстояние между пластинами, а тем самым, ёмкость конденсатора, что в свою очередь изменяет электрическое напряжение. Таким образом, получаем колебания в виде изменений напряжения, соответствующие поступающему на микрофон звуку. Для поддержания заряда на пластине конденсаторного микрофона требуется подать напряжение от батареи или по микрофонному кабелю.

В динамическом микрофоне колебания мембраны передаются сердечнику катушки индуктивности, в результате его перемещение в магнитном поле возникает переменный ток, колебаниями и амплитудой соответствующий звуковому сигналу, поступившему на мембрану. Динамический микрофон не требует подачи внешнего питания.

Полученные от микрофона электрический сигнал можно направить на лампу накаливания и зафиксировать изменение ее светимости на кинопленке (так озвучиваются кинофильмы). Тот же электрический сигнал можно направить на магнитную головку магнитофона и сохранить «копию» звука на ленте магнитофона.

Во всех рассмотренных случаях (фонограф, граммофон, оптическая и магнитная запись) на физический носитель записывается сигнал таким образом, чтобы устройство воспроизведения производило колебания и создавало звуковые волны аналогичные тем, что были получены при сохранении. Это – аналоговая запись. Чтобы иметь возможность обрабатывать звук с помощью компьютера, аналоговую запись необходимо преобразовать в дискретную, которую можно описать (закодировать) в виде последовательности чисел. Такую операцию называют оцифровкой.

Основную идею оцифровки иллюстрирует рис.2.

Электрическое напряжение, представляющее собой аналог звукового сигнала, измеряется с определенным временным шагом Δ t, называемым шагом дискретизации. Количество замеров величины сигнала, осуществляемых в одну секунду, называют частотой дискретизации или частотой выборки, или частотой семплирования (от англ. «sampling» — «выборка»). Чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации и тем более точное представление о сигнале будет получено.

Чтобы аналоговый сигнал точно описывался дискретными значениями его амплитуды, частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше наивысшей частоты спектра сигнала (теорема Котельникова). Практически это означает, что для того, чтобы оцифрованный сигнал содержал информацию обо всем диапазоне слышимых частот исходного аналогового сигнала (0 — 20 кГц) необходимо, чтобы выбранное значение частоты дискретизации составляло не менее 40 кГц.

Таким образом, вместо непрерывно изменяющегося сигнала (электрического напряжения), получаем набор чисел, каждое из которых соответствует определенному значению напряжения. Для хранения этих чисел может отводиться определенное количество разрядов (бит), и для записи каждого отдельного значения амплитуды, его необходимо округлить до ближайшего уровня квантования (рис.3). Этот процесс носит название квантования по амплитуде. Квантование по амплитуде — процесс замены реальных значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью.

Рисунок 3 Погрешность квантования при разной разрядности

Точность округления зависит от количества бит (N), отведенных для записи значения амплитуды. Число N называют разрядностью квантования или битовой глубиной, а полученные в результате округления значений амплитуды числа — отсчетами или семплами (от англ. «sample» — «замер»). Считается, что погрешности квантования при семплах в 16 бит, остаются для слушателя почти незаметными.

При сохранении в памяти компьютера результаты кодируются, т.е. используются не сами результаты измерения, а числа, соответствующие номеру уровня квантования. Кроме того, при кодировании выполняется сжатие: отбрасываются данные, не влияющие на восприятие звука.

Операции преобразования входного аналогового сигнала в дискретный код – дискретизация, квантование и кодирование – выполняется специальным устройством – аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Для воспроизведения цифровой записи выполнятся обратная цепочка операций:

- дискретный сигнал раскодируется и преобразуется в непрерывный аналоговый, для чего служит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

- полученный электрический сигнал усиливается и подается на магнитную катушку электродинамической акустической системы или на пластину электростатической системы;

- перемещение катушки или пластины динамика передается диффузору, который и создает слышимые звуковые волны.