Физические основы генерации компьютерного звука Звук - это механические колебания (вибрация) упругой среды (газ, жидкость, твердое тело). Чистый звуковой тон представляет собой звуковую волну, подчиняющуюся синусоидальному закону: у =am* sin(wt) = аm*sin(2пft), где am - максимальная амплитуда синусоиды; w - частота (w=2пf); f- количество колебаний упругой среды в секунду (f=1\T); Т-период; t - время (параметрическая переменная). Звук характеризуется частотой (f), обычно измеряемой в герцах, т.е. количеством колебаний в секунду, и амплитудой (у). Амплитуда звуковых колебаний определяет громкость звука. Человек воспринимает механические колебания частотой 20 Гц - 20 КГц (дети - до 30 КГц) как звуковые. Колебания с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, колебания с частотой более 20 КГц -ультразвуком. Для передачи разборчивой речи достаточен диапазон частот от 300 до 3000 Гц. Если несколько чистых синусоидальных колебаний смешать, то вид колебания изменится - колебания станут несинусоидальными. Особый случай, когда смешиваются не любые синусоидальные колебания, а строго определенные, частота которых отличается в два раза (гармоники). Основная гармоника имеет частоту/, и амплитуду а1; вторая гармоника -частоту f2 и амплитуду а2; третья гармоника соответственно f3 и a3. Причем f1<f2<f3, а1>а2>а3, При бесконечном количестве таких гармоник образуется периодический сигнал, состоящий из прямоугольных импульсов . На слух всякое отклонение от синусоиды приводит к изменению звучания. В IBM PC источником звуковых колебаний является динамик (PC Speaker), воспроизводящий частоты приблизительно от 2 до 8 КГц. Для генерации звука в PC Speaker используются прямоугольные импульсы. Синусоидальные сигналы в ЭВМ можно получить только с помощью специальных устройств - аудиоплат. Без таких устройств хорошего качества звучания добиться не удается. Для улучшения качества звучания необходимо к ЭВМ подключить внешнюю аппаратуру. При этом следует преобразовать дискретные сигналы ЭВМ в аналоговые сигналы аудиоаппаратуры. Такое преобразование можно выполнить с помощью схемы цифро-аналогового преобразования (ЦАП), например, реализованной на аналоговом сумматоре, подключаемом к параллельному интерфейсу Centronics (LPT1 или LPT2). Поскольку ЭВМ работает с дискретными сигналами - импульсами, а звук представляет собой аналоговый (т.е. непрерывно изменяющийся) сигнал, для ввода звуковых сигналов необходимо их оцифровывать. Способов оцифровки аналогового сигнала существует много. Рассмотрим три из них. 1. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), работающий по принципу измерения напряжения. 2. Время-импульсное кодирование аналогового сигнала (клиппирование). 3. Спектральный анализатор. Для улучшения качества звука применяется дополнительное устройство ПЭВМ - звуковая плата (аудиоплата). Обычно звуковая плата состоит из трех модулей: модуля оцифрованного звука, многоголосого частотного синтезатора (Freguency Modulation Synthesizer), модуля интерфейсов внешних устройств. Модуль оцифрованного звука предназначен для цифровой записи, воспроизведения и обработки оцифрованного звука. В его состав входят аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи и усилитель. Модуль позволяет преобразовывать вводимый аналоговый сигнал в цифровую форму, записывать его в оперативную память ЭВМ, проводить обратное преобразование оцифрованного звука из памяти ЭВМ в аналоговую форму, усиливать его по мощности для последующего вывода на внешний динамик или головные телефоны. В состав модуля часто входит микшер для смешивания сигналов с линейного входа и с микрофона. Многоголосый частотный синтезатор предназначен для генерации звуковых сигналов сложной формы. Существуют два принципиально различных способа синтеза звуковых сигналов: частотный синтез (FM - Fregueney Modulation); волновой синтез (WS - Ware Synthesys). Модуль интерфейсов внешних устройств может включать в себя интерфейс для подключения CD ROM, игровой порт и др. Основные характеристики звуковой карты - разрядность, частота дискретизации, количество каналов (моно, стерео), функциональные возможности синтезатора, совместимость. Звуковые карты, обеспечивающие работу со стереофоническим звуком, имеют два одинаковых канала, тогда как для работы с монозвуком требуется более простая карта. Стереозвук, кроме того, требует вдвое большего объема памяти. Функциональные возможности карты характеризуют наличие на ней специальных комплектов микросхем: РМ-синтезатора, обеспечивающего частотный синтез звука; WT-синтезатора, обеспечивающего волновой синтез звука (при котором образцы звучания инструментов могут быть записаны в файле вместе с волновыми таблицами (например, формат WAV) или могут находиться в ПЗУ звуковой карты (например, формат MID)). Кроме того, большое значение имеют возможности синтезаторов по обработке звуков (количество голосов, модуляция, фильтрование и др.), наличие аппаратных ускорителей (спецпроцессоров) и аппаратурных средств сжатия - восстановления, возможность загрузки новых образцов звучания инструментов и др. |