кодирование звуковой
информации
Цель познакомить учащихся с принципом кодирования звуковой
информации.
Задачи
Познавательные: актуализация знаний по теме "Кодирование информации",
осмысление и усвоение принципов кодирования при оцифровке звука, формирование
умений оценивать числовые параметры информационных объектов.
Развивающие: формирование умений использовать приобретенные знания
в практической деятельности и повседневной жизни, оценки качества звуковых
файлов с целью создания собственных цифровых аудиоархивов, развитие
мыслительных приемов деятельности при анализе, синтезе и структурировании
материала.
Воспитательные: формирование коммуникационной культуры ученика, воспитание
толерантности.
Требования к знаниям и умениям:
Уч-ся должны знать:
- различие между аналоговым и цифровым звуком;
- принцип кодирования звуковой информации.
- что такое временная дискретизация, глубина
кодирования, частота дискретизации;
Уч-ся должны уметь:
- находить информационный объем аудиофайлов
- редактировать и сохранять звуковую
информацию в программе «audacity»
Материалы и оборудование к уроку: презентация, опорный конспект,
карточки для практической работы, программы: audacity-win-1.3.ob, flesh-ролик для решения задачи.
Тип урока: комбинированный урок объяснения нового
материала.
Форма проведения урока: рассказ, беседа,
практическая работа.
Ход урока:
1.
Орг. Момент
Давайте попробуем сформулировать вопросы на
которые вы бы хотели получить ответы в течении урока.
ü
В чём различие между «живым» звуком и оцифрованным?
ü
Что влияет на качество оцифрованного звука?
ü
Почему диски формата mp3 содержат гораздо больше музыки по сравнению
с обычными музыкальными дисками?
ü
Какова физическая природа звука?
2.
Объяснение нового
материала
Давайте разберем понятия составляющие название
нашей темы.
Кодирование – что это? Где используется?
Кодирование информации — процесс
преобразования сигнала из формы, удобной для непосредственного использования
информации, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической
переработки.
Звуковая информация – это какая информация?
звуковая
информация - это кодирование звука, в котором лежит процесс калебаниявоздуха и
электрического тока.
Для
того чтобы рассмотреть процесс кодирования в компьютере звуковой информации,
необходимо представлять себе, какова физическая природа звука. Для этого
освежим в памяти знания, полученные вами на уроках физики 9 класса при изучении
темы «Звуковые колебания».
Из курса физики вам известно
Звук - продольная волна; распространяется в упругих средах
(воздух, вода, различные металлы и т.д.);имеет конечную скорость.
Звуковые колебания (волны) – механические колебания, частота которых
лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц.
Характеристики звука
громкость звука – зависит от амплитуды колебаний. Чем больше
амплитуда колебаний, тем громче звук.
высота звука – определяется частотой колебаний воздуха. скорость
звука – скорость распространения волн в среде.
тембр звука – окраска звука, зависящая от источника звука
(скрипка, рояль, гитара и т.д.).
Единица громкости звука - децибел (дБ)
(десятая часть бела). Названа в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя
телефона.
У всех источников звука имеются колеблющиеся части,
которые приводят в колебательное движение частицы окружающей среды (воздуха) →
распространяющаяся звуковая волна вызывает колебательное движение барабанной
перепонки уха человека, которое воспринимается мозгом как звук → не все
источники колебаний являются источниками звука (птица, бабочка, летучая мышь) →
звук – механические колебания в частотном диапазоне от 16 Гц до 22000 Гц).
Звук может быть представлен двумя способами
Аналоговым
и дискретным
Итак, мы выяснили, что звук представляет собой волну с
непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Для человека звук тем громче, чем
больше амплитуда сигнала, и тем выше тон, чем больше частота сигнала.
Для
того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, такой непрерывный (аналоговый)
звуковой сигнал должен быть преобразован в последовательность электрических
импульсов (двоичных нулей и единиц).
Процесс
преобразования звуковой волны в двоичный код в памяти компьютера осуществляется
в два этапа:
Звуковая
волна поступает в микрофон, который преобразует механические колебания частиц
воздуха в переменный электрический ток (аналоговый сигнал). Громкость звука
будет влиять на амплитуду колебаний тока, а высота звука – на частоту
колебаний.
Для возможности обработки компьютером
необходимо преобразовать непрерывно меняющийся ток в конечный набор
электрических импульсов определённой величины. Для этой цели используется звуковая
карта (аудиоадаптер).
При воспроизведении звука осуществляется
обратный процесс:
Звуковая
карта согласно поступающему двоичному коду формирует соответствующее переменное
напряжение, подача которого на динамик вызывает колебательное движение его мембраны,
вследствие чего в окружающем пространстве возбуждается звуковая волна.
Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в
дискретный (прерывистый) называется временной дискретизацей.
Количество
информации, которое потребуется компьютеру для кодирования N уровней громкости можно найти по известному соотношению N=2I
Количество информации, которое необходимо для
кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука называют глубиной
дискретизации звука.
Качество полученного цифрового звука зависит
от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты
дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем
больше частота дискретизации), тем точнее "лесенка" цифрового
звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала.
1
Гц означает одно исполнение такого процесса за одну секунду: 1 Гц= 1/с.
ЧАСТОТА
ДИСКРЕТИЗАЦИИ ЗВУКА – это количество измерений громкости звука за одну секунду.
Сэмплрэйт (samplerate) - частота
дискретизации (или частота сэмплирования) - частота взятия отсчетов
непрерывного во времени сигнала при его дискретизации (в частности,
аналого-цифровым преобразователем - АЦП).
Частота
дискретизации звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц.
В
зависимости от необходимого качества звука выбирают, как правило, 8 или
16-битное кодирование или 32 бита
Учитывая,
что объём аудиофайла пропорционален частоте дискретизации, глубине кодирования
и длительности звучания можно записать формулу для подсчёта размера звукового
файла:
Расчёт
объёма звукового файла»
$ V=k·ν·I·t
где
V – размер (объём) звукового файла
(в битах)
k – количество дорожек в записи (k=1 – моно, k=2 – стерео)
ν – частота дискретизации (в
Герцах)
I – глубина кодирования (в битах)
t – время звучания (в секундах)
Оценим,
какой информационный объём имеет звуковой файл, средней продолжительности,
записанный с качеством аудио-CD диска.
Задача 1.
Оцените информационный объем высокочественного моно
аудиофайла длительностью звучания 3 мин. 49 с, если "глубина"
кодирования 32 бит, а частота дискретизации 44,1 кГц.
Дано:
ν = 44,1 кГц
I = 32 бит
t = 3 мин 49 с
k = 1
|
Решение:
44,1 кГц = 44100 Гц
3 мин 49 с = 229 с
V = k ν I t = 1·44100 Гц·32 бит·229 с = 323164800 бит 40395600 байт ≈
39448,8 Кб ≈ 38,5 Мб
|
Найти:
V
|
Ответ: V = 38,5 Мб
|
Информационный
объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:
32
бит * 44 100 * 1 = 1 411 200 бит = 172,3 Кбайт
Это
значит, что битрейт или скорость воспроизведения должна быть равна 172,3
килобайт в секунду.
Информационный
объем звукового файла длительностью 3 мин. 49 с равен:
172,3
Кбайт/с * 229 с =38,5 Мбайт
Как
видим, звук при кодировании его в компьютере будет иметь достаточно большой
информационный объём. При записи с микрофона или извлечении из аудио компакт
диска средствами ОС Windows получаются достаточно объёмные
звуковые файлы с расширением WAV (от WAVeform-audio –
волновая форма аудио).
Форматы
файлов
WAVE
(.wav) - наиболее
широко распространенный формат. Используется в ОС Windows для хранения звуковых
файлов.
MPEG-3
(.mp3) - наиболее
популярный на сегодняшний день формат звуковых файлов.
MIDI
(.mid) - содержат
не сам звук, а только команды для воспроизведения звука. Звук синтезируется с
помощью FM- или WT-синтеза.
Real
Audio (.ra, .ram)
- разработан для воспроизведения звука в Internet в режиме реального времени.
MOD
(.mod) -
музыкальный формат, в нем хранятся образцы оцифрованного звука, которые можно
затем использовать как шаблоны для индивидуальных нот.
С
целью уменьшения объёма звуковых файлов были разработаны методы компрессии,
позволяющие существенно сжимать звуковые файлы с некоторой потерей качества
3.
Домашнее задание
Конспект,з адачи
№1
Определите длительность звукового файла,
который уместится на гибкой дискете 3,5”. Учтите, что для хранения данных на
такой дискете выделяется 2847 секторов объемом 512 байт.
а) при низком качестве звука: моно, 8 бит, 8
кГц;
б) при высоком качестве звука: стерео, 16 бит,
48 кГц.
№2
В распоряжении пользователя имеется память
объемом 2,6 Мб. Необходимо записать цифровой аудиофайл с длительностью звучания
1 минута. Какой должна быть частота дискретизации и разрядность?
№3
Определить объем памяти для хранения цифрового
аудиофайла, время звучания которого составляет две минуты при частоте
дискретизации 44,1 кГц и разрешении 16 бит.
4.
Итог урока.
Вернёмся
к началу урока и попробуем ответить на вопросы, озвученные в начале урока:
ü
В чём различие между «живым» звуком и оцифрованным?
(в
оцифрованном звуке имеется искажение сигнала вследствие временной дискретизации
и сжатия)
ü
Что влияет на качество оцифрованного звука?
(качество
звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации)
ü
Почему диски формата mp3 содержат гораздо больше музыки по сравнению
с обычными музыкальными дисками?
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.