Кодування звуку

Основні принципи

Звук — це механічні коливання навколишнього середовища (зазвичай повітря) із частотою приблизно 20–20 000 Гц. Вищі частоти сприймаються вухом як вищі тони.

Під час запису звуку на цифровий пристрій механічне коливання повітря перетворюється мікрофоном в електричну напругу. Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) перетворює цей безперервний сигнал у двійкові дані. Під час відтворення звуку дані перетворюються на аналоговий сигнал за допомогою АЦП. Потужність цього сигналу збільшується підсилювачем і його можна відтворювати за допомогою динаміка, який знову коливає повітря вібраціями мембрани.

Кодування звукової хвилі

Коливання повітря є безперервним, щомиті звукова хвиля має певне відхилення. Безперервним є і аналоговий сигнал, який створюється, наприклад, мікрофоном. Безперервна форма звукової хвилі показана на рисунку оранжевим кольором. На горизонтальній осі зображено час, на вертикальній – миттєве відхилення сигналу.

Цифрові пристрої не можуть обробляти звукову інформацію протягом нескінченної кількості моментів. При перетворенні аналогового сигналу в цифровий здійснюється так звана дискретизація – сигнал перетворюється в непостійний (дискретний), який змінює обмежену кількість значень протягом певного часу (на малюнку позначено синіми крапками). Це пов’язано з частотою дискретизації. Наприклад, при частоті дискретизації 48 кГц 48 000 значень семплів чергуються протягом секунди.

Навіть миттєве відхилення сигналу не може мати необмеженої кількості значень, тому виконується так зване квантування, яке пов’язане з роздільною здатністю семплу. Наприклад, роздільна здатність (семплу) 4 біти означає, що миттєве відхилення вибірки може приймати 2⁴ = 16 станів (див. рисунок).

Для стиснення з втратами значення бітрейт (вказує швидкість передачі) є важливим. Чим вищий бітрейт, тим більше даних описується за секунду аудіозапису (наприклад, 320 кбіт/с є найвищим бітрейтом для файлів mp3).

Тонове кодування

На додаток до повного запису звукових хвиль (описано вище), звук можна представити як послідовність тонів. Це використовується під час створення музики або у зв’язку з інтерфейсом MIDI. Усередині послідовності тони можуть мати, наприклад, різну висоту, довжину, гучність тощо. Цим тонам потім «призначається» певний звук, або у формі семплу, або згенерований синтезатором. Звук, представлений у вигляді послідовності тонів (у форматі MID), раніше використовувався, наприклад, як музичний супровід комп’ютерних ігор. Наразі використовується більше для роботи зі звуком, отримані треки згодом експортуються у вигляді звичайного цифрового запису сигналу.