Zvočna predstavitev informacije

Uvod:

V tem poglavju bomo spoznali:

zvočno predstavitev informacije, značilnosti diskretne predstavitve zvokov,  značilnosti zvonega kodiranja podatkov v računalniku, načine računalniškega tvorjenja zvokov, značilnosti standarda MID, probleme govorne komunikacije z računalniki


Kaj je zvok

Ljudje zaznavamo zvok s sluhom. Pod zvokom razumemo nihanja, ki potujejo skozi zrak in jih lahko slišimo. Obstaja pa tudi širša definicija zvoka, ki obsega tudi nizke in visoke frekvence izven našega slušnega območja. Zvok se širi tidi po drugih medijih, kot so plini, tekočine in trdna telesa. Zvok se širi kot valovanje spreminjajočega se pritiska, kar lokalno povzroča krčenje in raztezanje. Delci v mediju se v skladu z valovanjem odmikajo in nihajo.

   

Animacija: Zaznavanje zvoka

Zaznavanje zvoka

Zvok zaznavamo s sluhom. Glasen in nizkofrekvenčni zvok lahko zaznavajo tudi drugi deli telesa s tipom. Uradno je slišno območje ljudi med 20Hz do 20.000 Hz, vendar večina frekvence 20000 Hz ne zazna več. Uho je najbolj občutljivo na frekvence med 1000 in 3500 Hz. Zvoku nad slišnim območjem pravimo ultrzvok, zvoku pod slišnim območjem pa infrazvok. Amplitudo zvoka merimo in izražamo lahko kot pritisk, lahko pa jo merimo tudi decibelih (logaritmično merilo). Najtišji zvok, ki ga še zaznavamo, ima 0 dB.  Trajen zvok, ki presega 86 dB lahko trajno poškoduje naš sluh. Zvok nivoja nad 130 dB pa človek praktično ne more prenesti, povzroča bolečino in trajno poškodbo sluha.


Zvok uporabljamo na različne načine, največkrat za komunikacijo skozi govor ali na primer glasbo. Zvok lahko uporabljamo za pridobivanje informacij o lastnostih našega okolja, kot so na primer prostorske lastnosti ali prisotnost živali ali predmetov.

Pomnenje in reprodukcija zvoka

Predhodniki današnjega digitalnega zapisovanja zvoka so bili analogni nosilci zvoka

  • 1877 - fonograf   (Phonograph)  (Thomas Edison)
  • 1887 - gramofon  (Gramophone)   (Emile Berliner)
  • 1964 - kaseta       (Cassette Tape) 

Slika na levi kaže princip  Edisonovega fonografa. Zvočna energija povzroči vibracije membrane. Vibracije se preko igle prenašajo na vrteči se cilinder in zapisujejo v vosek.  Pri reprodukciji podobna igla sledi vdrtinam v vrtečem se cilindru in vibracije prenaša na membrano v zvočniku.
image004

Električni analogni zapis zvoka v bistvu deluje podobno:

Funkcija mikrofona je, da zvočno valovanje spreminja v ekvivalentno nihanje napetosti.

Tak signal lahko prenašamo na daljavo, lahko pa ga posredujemo tudi napravi za snemanje zvoka (na primer kasetofonu).

Analogno zapisovanje zvoka ima več slabosti: Podobnost med originalnim in reproduciranim signalom ni najboljša. Kvaliteta zapisa se pri vsakem branju nekoliko poslabša (obraba...). Signal izgubi na kvaliteti  tudi pri vsakem presnemavanju. To seveda velja za vse analogne medije pomnenja zvoka, kot so gramofonske plošče in kasete.

K sreči je razvoj tehnologije pripeljal do uvajanja digitalnega snemanja in reprodukcije:

  • 1979  –  prikazan prvi prototip CD sistema ( v Evropi in na Japonskem )
  • 1982  –  CD tehnologija uvedena  v Evropi in na  Japonskem  ( v ZDA leta 1983 )
  • 1985  –  prve CD-ROM enote v računalnikih
  • 1988  –  uvedena CDR tehnologija
  • 1992  –  Sony MiniDisc
  • 2000  –   DVD audio

In kako poteka digitalno snemanje in reprodukcija zvoka?  Govorimo v mikrofon, ki smo ga priključili na napravo, v kateri je analogno digitalni pretvornik (ADC). ADC pretvori analogen signal našega glasu v digitalne podatke. 

image010

To naredi tako, da vzorči oziroma digitalizira tako, da meri signal valovanja v pogostih časovnih presledkih. Številu teh meritev v sekundi pravimo frekvenca vzorčenja in jo merimo v kHz. Večja kot je ta frekvenca, bolj natančno bo lahko rekonstruirano valovanje.

 image011

Če sedaj hočemo predvajati zapisani signal preko zvočnikov, bo digitalno analogni pretvornik  (DA) opravil obratno operacijo. Če so bile meritve dovolj natančne in z dovolj veliko frekvenco vzorčenja, bo rekonstruirani analogni zvočni signal praktično enak originalnemu zvočnemu signalu.

image013

Digitalni zapis ima več prednosti: analogni signal generiran v DA pretvorniku je vedno enak ( pri večkratnem predvajanju signal ne izgublja na kvaliteti ) in zelo podoben originalnemu analognemu signalu   ( pogoj je dovolj visoka frekvenca in pa natačnost vzorčenja pri DA pretvorbi )