Средства ввода и вывода звуковой информации
Для начала выясним, что такое звук. Звук — это колебания (волны), распространяющиеся в воздухе или другой среде от источника колебаний во всех направлениях. Когда волны достигают вашего уха, расположенные в нем чувствительные элементы воспринимают эту вибрацию и вы слышите звук.
Каждый звук характеризуется частотой и интенсивностью (громкостью).
Частота — это количество звуковых колебаний в секунду; она измеряется в герцах (Гц). Один цикл (период) — это одно движение источника колебания (туда и обратно). Чем выше частота, тем выше тон.
Человеческое ухо воспринимает лишь небольшой диапазон частот. Очень немногие слышат звуки ниже 16 Гц и выше 20 кГц (1 кГц = 1 000 Гц). Частота звука самой низкой ноты на рояле равна 27 Гц, а самой высокой — чуть больше 4 кГц. Наивысшая звуковая частота, которую могут передать радиовещательные FM-станции, — 15 кГц.
Громкость звука определяется амплитудой колебаний. Амплитуда звуковых колебаний зависит в первую очередь от мощности источника звука. Например, струна пианино при слабом ударе по клавише звучит тихо, поскольку диапазон ее колебаний невелик. Если же ударить по клавише посильнее, то амплитуда колебаний струны увеличится. Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Шорох листьев, например, имеет громкость около 20 дБ, обычный уличный шум — около 70 дБ, а близкий удар грома — 120 дБ.
В настоящее время звуковые устройства стали неотъемлемой частью каждого персонального компьютера. В процессе конкурентной борьбы был выработан универсальный, широко поддерживаемый стандарт звукового программного и аппаратного обеспечения. Звуковые устройства превратились из дорогих экзотических дополнений в привычную часть системы практически любой конфигурации.
Системы мультимедиа начинались со звука, который воспринимается независимо от изображения, не наносит ущерба восприятию выводимой на экран информации, а при хорошем качестве даже дополняет ее и повышает восприимчивость пользователя, оказывает сильное психологическое воздействие на оператора, создает настроение. Звуковое сопровождение служит дополнительным способом передачи информации об основном и фоновом процессах, например, воспроизведение речи дает представление об индивидуальности говорящего, помогает разобраться в произношении слов.
Но звуковая (аудио или акустическая) информация имеет и самостоятельное значение. Можно выделить три направления в использовании звуковых возможностей систем мультимедиа:
бытовые системы мультимедиа используют звуковые возможности ПЭВМ в обучающих, развивающих программах (обучение чтению, произношению, музыке); в энциклопедиях и справочниках (бытовых -медицина, расписания движения автобусов, поездов, самолетов, прогноз погоды, репертуар театров и др.). В бытовых системах использование таких музыкальных редакторов, как Skream Tracker, позволяет перейти на качественно новый уровень использования аудиосистем — от пассивного восприятия музыки к активной работе с музыкальными произведениями без музыкального образования; к реализации цветомузыки на экране ПЭВМ;
мультимедиа бизнес-приложения используют звук в следующих целях: тренинг (профессиональные обучающие системы: иностранному языку, распознаванию голосов птиц, распознаванию шумов в сердце и других органах, при обучении радиотелеграфистов); презентации (т.е. демонстрация товара с помощью ЭВМ); проведение озвученных видео- и телеконференций; голосовая почта; автоматическое стенографирование (восприятие речи и перевод ее в текстовый вид); использование голоса пользователя в целях защиты (электронные замки, доступ к программному обеспечению и информации в ЭВМ, к банковским сейфам и др.);
профессиональные мультимедиа системы — это средства производства озвученных видеофильмов, домашние музыкальные студии (музыкальные редакторы типа Skream Tracker, Whacker Tracker и др. позволяют наиграть мелодию, выполнить программную ее обработку (изменить высоту тона, длительность звучания, тип инструмента, скорость нажатия-отпускания клавиши, синтезировать звуковые эффекты, воспроизвести или записать на стандартную звукозаписывающую аппаратуру).
1. Цифровое представление звуковых сигналов
Исходная форма звукового сигнала — непрерывное изменение амплитуды во времени — представляется в цифровой форме с помощью перекрестной дискретизации по времени и по уровню. Одновременно с временной дискретизацией выполняется амплитудная — измерение мгновенных значений амплитуды и их представление в виде числовых величин. Полученный поток чисел (серии двоичных чисел) называют импульсно-кодовой модуляцией — PCM
Устройство звуковой карты
Line in, Mic in — линейный и микрофонный входы
Aux: сигнал с этого входа минует все устройства и сразу идет на выход.
CD in используется для CD-ROM.
У всех разъем mini-Jack
На задней панели платы есть 15-пиновый разъем midi/джойстик порта, используется для подключения синтезаторов, клавиатур или джойстика.
Все сигналы с внешних аудиоустройств поступают во входной микшер, он служит для усиления.
АЦП — аналогово-цифровой преобразователь. Замеряет амплитуду поступающего сигнала и кодирует соотношения.
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь. Заменяет коды, преобразует в аналоговый сигнал.
DSP-сигнальный процессор управляет обменом данных со всеми остальными устройствами компьютера через шину ISA или PCI
Синтезатор — имитация музыкальных инструментов.
FM (Frequency Modulation — частотная модуляция) синтезатор для сохранения совместимости с Sound Blaster.
Wave Table-синтезатор для получения качественного звука.
RAM — оперативная память используется для загрузки звука
ROM — постоянная память, в ней хранятся образцы звучания
1) MIDI (Musical Instrument Digital Interface) (30-150 Кб). Позволяет задействовать ресурсы процессора и памяти компьютера.
2) WAV (30-50 Мб). Представление звука в том виде, какой он есть — в виде цифрового представления исходного звукового колебания или звуковой волны. Позволяет работать со звуками любого вида, любой формы и длительности.
3) Mp3 — самая сложная схема из семейства Mpeg — требует больше затрат времени на кодирование и более высокое качество звука. Самый распространенный формат хранения музыки.
2. Устройства для ввода и вывода звуковой информации (звуковые адаптеры)
2.1 Устройства вывода звуковой информации
— электроакустические аппараты для воспроизведения речи, музыки и прочее.
По способу звукоизлучения различают:
— рупорные (наиболее распространены, т. к. обладают большей отдачей);
Колонки служат для прослушивания музыки и звуков. Бывают разных размеров и мощности. Самый простой вариант – 2 колонки, но бывают комплекты состоящие из большего количества колонок.
Колонка — акустическая система — устройство для воспроизведения звука. Преобразователь электрического сигнала в звуковое давление.
Акустическая система бывает однополосной (один широкополосный излучатель, например, динамическая головка) и многополосной (две и более головок, каждая из которых создаёт звуковое давление в своей частотной полосе).
Хорошие колонки имеют магнитный экран или улучшенную конструкцию магнитной системы.
Существует два вида колонок:
— активные (встроенный усилитель, требуют дополнительных источников питания, регулятор громкости и тембра);
— пассивные (маленькая мощность).
2.1.2 Динамик
Динамик ПК (англ. PC speaker) — простейшее устройство воспроизведения звука, применявшееся в IBM PC и совместимых ПК. Звучит довольно грубо и может раздражать некоторых пользователей. До появления недорогих звуковых плат динамик являлся основным устройством воспроизведения звука.
Благодаря низкому качеству и примитивности звуков, воспроизводимых устройством, оно получило ряд кличек — PC squeaker и PC beeper в английском языке; «скрипер», «хрипер», «хрюкер» и т. п. в русском.
В настоящее время PC speaker остаётся штатным устройством IBM PC-совместимых компьютеров, и в основном используется для подачи сигналов об ошибках, в частности при проведении POST. Некоторые программы (Skype) можно настроить на вывод звуковых сигналов через динамик — это бывает удобно, когда к звуковой плате подключены наушники (по умолчанию не надетые).
Имеются два способа управления динамиком:
программируемый таймер, генерирующий прямоугольную звуковую волну заданной частоты без участия центрального процессора. Это позволяет проигрывать простые одноголосые звуковые сигналы. Если программа зависала во время проигрывания звука, таймер продолжал работать, выдавая одну ноту, пока компьютер не перезагрузят;
прямое управление мембраной через порт 61h с дискретностью в 1 бит. Подавая с большой частотой то 0, то 1, с помощью широтно-импульсной модуляции можно синтезировать низкокачественный оцифрованный звук — правда, за счёт существенного использования ресурсов процессора. Все подобные программы не работают в многозадачных операционных системах.
2.1.3 Наушники
Классификация наушников:
1. По способу передачи звука:
проводные — соединены с источником проводом, поэтому могут обеспечить максимальное качество звука (соответственно, имеющие профессиональную направленность наушники относятся исключительно к этому типу);
беспроводные — соединены с источником посредством беспроводного канала, того или иного типа — радио, инфракрасным, Bluetooth. Мобильны, но имеют привязанность к базе (излучателю) и ограниченный радиус действия, определяемый мощностью излучателя. Обладают более низким качеством звука по сравнению с проводными, в силу процесса модуляции при кодировании-декодировании, необходимых при передаче сигнала от излучателя к приёмнику в наушниках.
2. По типу конструкции (виду):
вставные (обиходное название — «вкладыши») — вставляются в ушную раковину;
внутриканальные (обиходное название — «затычки») — вставляются в ушной канал;
накладные — накладываются на ухо;
полноразмерные или мониторные — полностью обхватывают ухо.
3. По типу крепления:
оголовье — наушники с вертикальной дужкой, которая соединяет две чашечки наушников;
затылочная дужка — соединяет две части наушников, но располагается на затылке. Основная механическая нагрузка направлена на уши;
крепления на ушах — обычно наушники такого типа закрепляются на ушах с помощью заушины или клипс;
без креплений — они держатся только за счет амбушюров, которые находятся в ушном проходе.
4. По способу подключения кабеля:
двухсторонние — соединительный кабель подводится к каждой из чашек наушников;
односторонние — соединительный кабель подводится только к одной из чашек наушников, вторая подключается отводом провода от первой, зачастую тот спрятан в дужке.
5. По конструкции излучателя:
динамические — используют электродинамический принцип преобразования. Самый распространённый тип наушников. Конструктивно наушник представляет собой излучатель или мембрану, к которой прикреплена катушка с проводом, находящаяся в магнитном поле постоянного магнита. Если через нее пустить переменный ток, то магнитное поле, создаваемое катушкой, будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего мембрана будет двигаться, повторяя форму электрического сигнала звуковой частоты (см. статью «Громкоговоритель»). Электродинамический способ преобразования сигнала имеет множество недостатков и ограничений, но постоянно совершенствующаяся конструкция таких наушников и новые материалы позволяют достигнуть очень высокого качества звука;
с уравновешенным якорем — основной деталью является П-образный якорь из ферромагнитного сплава. В разговорной речи их часто называют «арматурными» из-за созвучия английского слова armature (якорь) русским арматура;
электростатические — используют тончайшую мембрану, расположенную между двумя электродами. Стоимость таких наушников обычно высока, однако они демонстрируют очень высокую чувствительность и высокую верность воспроизводимого звука. Недостаток — их нельзя напрямую подключить к стандартному выходу на наушники, поэтому к ним в комплекте идёт специальная док-станция;
изодинамические — тонкая плёночная мембрана, с нанесёнными на неё металлическими токопроводящими дорожками, заключена в решетку из стержневых магнитов и колеблется между ними;
ортодинамические — по принципу аналогичны изодинамическим, но мембрана и магниты имеют круглую форму.
6. По типу акустического оформления:
открытого типа — частично пропускают внешние звуки, что позволяет достичь более естественного звучания. Многие слушатели отмечают звук открытых наушников как более прозрачный и натуральный по сравнению со звуком закрытых наушников. Кроме того, открытое акустическое оформление не делает вас аудиально «отрезанным» от окружающего мира. Однако при высоком уровне внешнего шума звук в открытых наушниках будет плохо слышен. К тому же открытые наушники, работающие на большой громкости, могут помешать окружающим. Не создают давления на внутреннее ухо;
полуоткрытого типа (или полузакрытого типа) — обладают многими свойствами открытых наушников, но при этом обеспечивают приличную звукоизоляцию;
закрытого типа — не пропускают внешние шумы и обеспечивают максимальную звукоизоляцию, что позволяет использовать их в шумных средах, а также в тех случаях, когда необходимо полностью сосредоточиться на прослушивании. При плохом прилегании амбушюров (чашечек) у закрытых наушников ухудшается воспроизведение низких частот, поэтому у закрытых наушников с дужкой давление, производимое ими на голову, как правило выше, чем у открытых.
7. По сопротивлению:
низкоомные — с сопротивлением от единиц Ом до нескольких сотен Ом;
высокоомные — с сопротивлением от единиц кОм до нескольких десятков кОм.
Технические характеристики
Пиктограмма наушников. Ставится для идентификации разъёмов, регуляторов и пр.
Основными техническими характеристиками являются: частотный диапазон, чувствительность, сопротивление, максимальная мощность и уровень искажений в процентном соотношении.
Эта характеристика влияет на качество звука наушников. Наушники с большим диаметром мембраны имеют повышенное качество звучания. Среднее значение частотной характеристики 18 Гц — 20 000 Гц. Некоторые профессиональные наушники имеют частотный интервал от 5 Гц до 60000 Гц. Наиболее широкий заявленный частотный диапазон у некоторых моделей достигает 5 Гц — 125 кГц.
Чувствительность влияет на громкость звука в наушниках. Обычно наушники обеспечивают чувствительность не менее 100 дБ, при меньшей чувствительности звук может быть слишком тихим (особенно при использовании наушников с плеером или подобными устройствами). На чувствительность влияет материал магнитного сердечника, применяемого в наушниках (например, неодимовые магнитные сердечники). Наушники-«вкладыши» с малым диаметром мембраны обладают маломощным магнитом.
Здесь важно соответствие значения модуля полного электрического сопротивления наушников и выходного сопротивления источника звука. Большинство наушников рассчитано на сопротивление в 32 Ома. Наушники с сопротивлением в 16 Ом имеют повышенную излучаемую акустическую мощность. Для студийной работы используют наушники с максимальным значением импеданса.
Максимальная (паспортная) входная мощность обуславливает громкость звучания.
Уровень искажений в наушниках измеряется в процентах. Чем меньше этот процент, тем лучше качество звучания. Привносимые наушниками искажения менее 1 % в полосе частот от 100 Гц до 2 кГц являются приемлемыми, тогда как для полосы ниже 100 Гц допустимо 10 %.
Типы соединительных разъемов
2.2 Устройства ввода звуковой информации
К устройствам ввода звуковой информации относятся микрофоны. Эти устройства преобразуют звуковые колебания в электрические.
2.2.1 Микрофон
Микрофон используется для ввода звука в компьютер. Непрерывные электрические колебания, идущие от микрофона, преобразуются в числовую последовательность. Эту работу выполняет устройство, подключаемое к компьютеру, которое называется аудиоадаптером, или звуковой картой. Воспроизведение звука, записанного в компьютерную память, также происходит с помощью аудиоадаптера, преобразующего оцифрованный звук в аналоговый электрический сигнал звуковой частоты, поступающий на акустические колонки или стереонаушники. Из сказанного следует, что звуковая карта совмещает в себе функции ЦАП и АЦП. Рис. 2 «Преобразование звука при вводе и выводе» иллюстрирует описанный процесс.
Несмотря на то, что звуковые колонки или наушники технически не являются частью MPC-спецификации, они определенно необходимы для воспроизведения звука. Кроме того, для ввода голосовой информации, используемой для записи звука или речевого управления компьютером, требуется микрофон. Системы, оснащенные звуковым адаптером, обычно содержат также недорогие пассивные или активные колонки, которые, конечно, могут быть заменены более подходящими по размеру колонками или наушниками, обеспечивающими требуемое качество и частотные характеристики воспроизводимого звука.
Мультимедийный компьютер, оснащенный колонками и микрофоном, обладает рядом возможностей:
— добавление стереозвука к развлекательным (игровым) программам;
— увеличение эффективности образовательных программ (для маленьких детей);
— добавление звуковых эффектов в демонстрационные и обучающие программы;
— создание музыки с помощью аппаратных и программных средств MIDI;
— добавление в файлы звуковых комментариев;
— реализация звуковых сетевых конференций;
— добавление звуковых эффектов к событиям операционной системы;
— звуковое воспроизведение текста;
— проигрывание файлов формата .mp3;
— поддержка управления голосом.
Таким образом, как наша сегодняшняя жизнь не мыслима без компьютера, так и сегодняшний компьютер (а так же созданная на базе ПК бытовая и прочая техника) мы уже не представим без современных устройств ввода и вывода информации, в том числе и звуковой.
Список используемой литературы
Могилев А.В. Информатика: Учеб. пособие для студ. пед. вузов / А.В.
Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер; Под ред. Е.К. Хеннера. — 3-е изд. перераб и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 848 с.
Симонович С.В., Евсеев Г.А., Алексеев А.Г. Специальная информатика: Учебное пособие. — М.: АСТ-ПРЕСС: Инфорком-Пресс, 1999. — 480 с.
Левин А.Ш. Самоучитель компьютерной графики и звука. 2-е изд. — СПб.: Питер, 2006. — 640 с
Компьютер для студентов, аспирантов и преподавателей. Самоучитель.: учеб. пособие / Под ред. В.Б. Комягина. — М.: ТРИУМФ, 2001. — 656 с.
Мельников П.П. Технология разработки HTML-документов: Учеб. пособие. — М.: Финансы и статистика, 2005. — 112 с.
Экономическая информатика и вычислительная техника: Учебник / Г.А.Титоренко, Н.Г. Черняк, Л.В. Ерешин и др; под редакцией В.П.Косарева, А.Ю. Королева — Изд. 2-е, переработки и дополнение — М.: Финансы и статистика, 1996 — 336 с.
Милютина И.А. Технические средства компьютерных информационных технологий. Методические рекомендации к таблицам по инф-ке. 1-й выпуск — М: АО «Московские учебники и Картометография» 1997 — 79 с.
2.Диктофон:
Диктофон (от лат. dicto — диктую и . фон), аппарат для звукозаписи речи с целью последующей диктовки и записи текста речи от руки на бумаге. Основные узлы диктофона : механизм перемещения носителя записи (магнитная лента, проволока, манжета, диск и др.), магнитные головки, усилитель записи и воспроизведения и блок электропитания. Полоса пропускания частот диктофона уже (300—4500 гц), чем у магнитофона, что позволяет применить низкие скорости движения носителя (например, для магнитной ленты — 4,76 и 2,38 см/сек) и получить длительность непрерывной записи до 1,5 ч (на одной дорожке). Запись информации производится с помощью микрофона, адаптера, прикрепляемого присосом к боковой стенке телефонного аппарата, или через коммутационный пульт (с трансляционной и диспетчерской линий), а прослушивание записи — посредством головного телефона или абонентского громкоговорителя. Стирание записи происходит автоматически во время новой записи. В диктофоне предусматриваются
ускоренная перемотка носителя в обоих направлениях и ускоренный возврат
(откат) носителя для повторного прослушивания небольшой части записи. Диктофон в основном применяют главным образом для записи бесед и лекций, выступлений на собраниях и совещаниях, телефонных разговоров и диспетчерских переговоров.
