Титульная страница

Звук представляет собой локальные изменения давления воздуха, происходящие с определённой частотой, то есть колебания. Эти колебания улавливаются человеческим ухом. Чем больше частота таких колебаний, тем более высокий тон слышит человек. Частота колебаний измеряется в Герцах. Диапазон звуковых частот, слышимых людьми, в общем случае лежит в границах от 20 до 20 000 Гц. Колебания, имеющие низкую частоту, называют инфразвуком. Они не слышны для человека, но организм реагирует на них болезненно, так как они непосредственно действуют на слуховые нервы. Колебания высокой частоты также не слышны подавляющему большинству людей и называются ультразвуком.

При уровне звука более 150 Децибел происходит разрушение слухового аппарата. Наиболее высока чувствительность к звукам в диапазоне от 1 до 4 кГц. Например, для звука частотой 100 Гц порог слышимости составляет 40 дБ, а на частоте 10 кГц – 20 дБ. Именно поэтому сабвуферы делают в десятки и сотни раз более мощными чем высокочастотные колонки.

Звук на компьютере обрабатывается цифровыми методами, поэтому применяемая аппаратура принципиально отличается от профессиональных бытовых звуковых устройств. В общем случае, записать и максимально точно воспроизвести звук на аналоговых устройствах можно гораздо более простыми способами, чем на цифровых. Однако, обработать исходный звук различными методами и обеспечить практически стопроцентную повторяемость любой копии записи можно только на цифровых устройствах.

Метод натуральной цифровой записи звука называется PCM (импульсно-кодовая модуляция) и заключается в том, что в ходе записи в течение каждой секунды многократно регистрируется текущая амплитуда звуковой волны. Некоторое значение амплитуды принимается как максимально возможное в данной звукозаписи. Этому значению присваивается самое большое число. Каждое текущее значение амплитуды масштабируется относительно максимального и округляется до ближайшего целого числа. В результате получается единичный снимок (кадр) звуковой волны.

Частоту, с которой делают снимки звуковой волны, называют частотой дискретизации (частотой оцифровки, частотой квантования). Чем выше частота дискретизации, тем более точно цифровая запись будет соответствовать аналоговому образцу.

Сильно влияет на точность записи и величина единичного массива данных (глубина оцифровки), определяющая число различимых уровней записываемого звукового сигнала. От неё зависит отношение максимально воспроизводимой громкости звука по отношению к громкости шумового фона. При 8-битной записи диапазон составит 48 дБ (255 значений), при 16-битной – 96 дБ.

На практике запись хорошего качества получается при частоте дискретизации 44100 Гц и глубине оцифровки 16 бит. Именно такие параметры приняты для записи музыки на лазерных дисках.

Оцифровка аналогового сигнала производится аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) выполняют обратную задачу. Часто оба устройства объединены в одном блоке, называемом кодеком.

Цифровые преобразования вносят специфические искажения в аналоговый сигнал. Из-за того, что в цифровом представлении доступен только ряд целых дискретных значений сигнала, появляется практически непрерывный паразитный сигнал, называемый шумом дискретизации. Для учёта соотношения сигнал/шум используется специальный коэффициент SNR, измеряемый в децибелах. Чем выше коэффициент, тем лучше качество звучания.

Dolby Digital 5.1. Этот формат описывает способ формирования в общей сложности шести раздельных каналов звука. Пять из них считаются основными и в каждом из них предусмотрено воспроизведение полного частотного спектра (от 3 до 20000 Гц). Один канал считается дополнительным, потому что отводимая ему полоса частот составляет от 3 до 120 Гц.

Пять основных каналов разделяются по функциям следующим образом: левый, правый и центральный фронтальные каналы, левый и правый тыловые каналы. Низкочастотный канал предназначен для подключения сабвуфера и призван имитировать звуковые эффекты.

Для сжатия данных, кодирования и смешивания каналов используется технология AC-3. Благодаря этой технологии данные в формате Dolby Digital получаются упакованными в один поток (файл), который может передаваться как между отдельными устройствами обработки звукового сигнала практически без потери качества. При восстановлении исходных данных декодером на выходе получаются шесть раздельных каналов.

Поддерживаются частоты дискретизации 32 кГц, 44,1 кГц или 48 кГц.

Функция HRTF. Для имитации позиционирования источников звука в виртуальном трёхмерном пространстве используется алгоритм HRTF. В оригинале HRTF представляет собой очень сложную функцию с четырьмя переменными: азимут на источник звука, его удаление, высота над плоскостью приёмника, частота звуковой волны. Значение HRTF уменьшается обратно пропорционально расстоянию. Предполагается, что источник звука находится на расстоянии более одного метра от приёмника, в так называемом едином дальнем поле. При записи звука используют полученные значения измерений, и при воспроизведении звук позиционируется в пространстве почти так же, как и при естественном прослушивании. Технология HRTF уже несколько десятков лет используется для обеспечения высокого качества стереофонических записей.

MacroFX. Функция HRTF не применима, если источник звука находится ближе одного метра от слушателя, то есть в ближнем поле. В этом случае для имитации звука используется технология MacroFX. Алгоритмы MacroFX обеспечивают воссоздание ощущения, что источник звука расположен близко к слушателю, вплоть до шёпота в ухо.

DirectSound3D. Данная технология является ключевой в мире компьютерных игр. Ядром является механизм позиционирования источников звука, а также встроенные технологии обработки акустической информации в соответствии с параметрами окружения.

Существует ещё ряд технологии, позволяющих существенно улучшить качество звучания и приблизить его к реальности.