Что такое частота дискретизации звука? Что такое кодирование звука?

Кодирование звуковой информации и частота дискретизации звука — это два взаимосвязанных понятия, чуть ниже вы поймете почему.

Все понимают значение  термина  «звук»? Любое звучание — это всего лишь колебание невидимых  волн, которые могут распространяться по воздуху, в водной стихии или в любом другом окружении; эти волны имеют бесперебойную частотность и интенсивность колебания. Люди улавливают различные  звуки при помощи своего уха, что дает им возможность различать их громкость и тональность. Причем тон зависит от частотности волн, а громкость от ее интенсивности.

Чтобы измерить громкость звука, люди используют специализированную единицу измерения — Дб (децибел). Громкость звучания имеет прямую зависимость от его интенсивности, поэтому когда мы говорим, что громкость уменьшилась или увеличилась на  15 Дб, это означает, что интенсивность уменьшилась или увеличилась в 15 раз.

Несколько примеров:

• абсолютная тишина для человеческого уха — это 0 Дб;
• листья шуршат под ногами — это 10 Дб;
• обычный негромкий разговор людей — это около 60 Дб;
• громкость большинства современных автомобилей составляет около 90 Дб;
• звук реактивного двигателя самолета — это около 120 Дб;
• чтобы  слуховой аппарат человека ощутил боль от громкости звука потребуется около 140 Дб.

Если громкость измеряется в Дб, то частотность звука измеряют в Гц (Герцах). Герцы показывают  сколько колебаний в секунду делает звуковая волна.

Кодирование звуковой информации

Как мы знаем, современный компьютер — это мощное устройство для обработки различных типов данных. Компьютер также может обрабатывать и звук, поэтому когда мы произносим «кодирование звуковой информации», то косвенно подразумеваем наличие компьютера. Но компьютер не осуществляет кодирование  нашего привычного аналогового звука, который мы улавливаем своим ухом. Для компьютера пригоден только цифровой звук. Чтобы преобразовать стандартный звук в цифровой необходимо специальное устройство. На компьютере таким устройством является звуковая карта.

Преобразование звука из «привычного человеческому уху» в цифровой — это и есть процесс дискретизации. Причем для дискретизации звука, так же как и обычному звучанию, свойственна частотность и интенсивность.

Кодирование звуковой информации: частота дискретизации звука

Чтобы компьютерное устройство смогло преобразовать стандартный звук в цифровой формат (последовательность цифр), ему необходимо само звучание привести в соответствующий дискретный формат. Для этого применяется такое свойство, как «временная дискретизация».

Временная дискретизация представляет собой процесс разбивки и фиксации «привычного нам» звучания на небольшие промежутки по времени. В каждом зафиксированном промежутке измеряется показатель интенсивности звучания.

Частота дискретизации звука — это количественное значение фиксации интенсивности звучания в течение одной секунды. Чем больше частотность дискретизации звучания, тем четче оцифрованный звуковой сигнал будет отражать «привычный нашему уху» звук, соответственно, кодирование звуковой информации будет качественней. Частота дискретизации звука располагается в интервале от 8000 и до 48 000 измерительных фиксаций интенсивности в секунду. Вообще-то сегодняшние компьютерные звуковые системы смогут осуществлять куда большее количество фиксаций громкости в секунду, чем 48 000 (48кГц), некоторые могут вплоть до 192 000. Просто 48 кГц — это частота дискретизации стандарта DAT, который часто используется на компьютере, также есть стандарт CD со своими 44.1 кГц.

У вас может возникнуть такой вопрос. Мы же знаем, что, раз используется большая частота дискретизации звука, тогда и лучше будет само кодирование звуковой информации и, соответственно, оцифрованное звучание будет качественней. Это не совсем так. Чем интенсивней частота дискретизации, тем сильнее возрастает нагрузка на вычислительные мощности компьютера. Поэтому важно найти «золотую середину», чтобы и звук был хороший, и компьютер справлялся. Для этого оптимальную частоту дискретизации звука выбрали по-другому пути. Известно, что человеческое ухо улавливает частоты до 20 кГц. Опираясь на теорему Котельникова, можно посчитать, что, для того, чтобы цифровой звук соответствовал  20 кГц аналогового, то частотность его дискретизации должна составлять примерно в 2 раза больше, то есть около 40 кГц. Делать частотность дискретизации намного больше нет смысла, потому что человеческое ухо не рассчитано на такой диапазон.

Кодирование звуковой информации: глубина кодирования звука

Глубина кодирования звука — это количественная мера, которая показывает объем информации, необходимый для кодирования уровней в момент дискретизации. Простыми словами: в момент дискретизации происходит «срез» интенсивности звучания. Чтобы этот «срез» как-то оцифровать, нужна определенная величина информации. Вот эта величина информации и есть глубина кодирования звука.

Глубина кодирования звука исчисляется в битах. Самые распространенные варианты это звук в 8 или 16 бит. Но нужно понимать, что есть звуковые карты, которые выдают глубину кодирования звучания и в 24 бита.

Кодирование звуковой информации с глубиной кодирования звука в 16 бит будет означать, что зафиксированным «срезам» громкости при дискретизации звучания будет задаваться 16-битный  код двоичной системы счисления.

Кодирование звуковой информации напрямую имеет зависимость от частоты дискретизации и глубины кодирования звука. Например, нижайшее качество звучания будет обеспечено частотностью в 8 кГц и глубиной 8 бит. Самое высшее качество звучания будет обеспечено частотностью в 48 кГц и глубиной в 16 бит. Но самое главное, чем больше качество звучания, тем больше будет его «вес».

Заключение

Кодирование звуковой информации, частота дискретизации звука и глубина кодирования — это все звенья одной цепочки. При этом в эту цепочку также входят варианты кодирования «моно» или «стерео», а также множество форматов звуковых файлов, которые вносят свою лепту в качество звука.