1.Звуковая система ПК

Звуковая система ПК в виде звуковой карты появилась в 1989 г., существенно расширив возможности ПК как технического сред­ства информатизации.

Звуковая система ПК - комплекс программно-аппаратных средств, выполняющих следующие функции:

• запись звуковых сигналов, поступающих от внешних источни­ков, например, микрофона или магнитофона, путем преобразо­вания входных аналоговых звуковых сигналов в цифровые и последующего сохранения на жестком диске;
• воспроизведение записанных звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (науш­ников);
• воспроизведение звуковых компакт-дисков;
• микширование (смешивание) при записи или воспроизведе­нии сигналов от нескольких источников;
• одновременная запись и воспроизведение звуковых сигналов (режим Full Duplex );
• обработка звуковых сигналов: редактирование, объединение или разделение фрагментов сигнала, фильтрация, изменение его уровня;
• обработка звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного (трехмерного - 3D-Sound ) звучания;
• генерирование с помощью синтезатора звучания музыкальных Инструментов, а также человеческой речи и других звуков;
• управление работой внешних электронных музыкальных инст­рументов через специальный интерфейс MIDI.

  Скачать лекцию «Системы обработки и воспроизведения аудиоинформации»

Звуковая система ПК конструктивно представляет собой зву­ковые карты, либо устанавливаемые в слот материнской платы, либо интегрированные на материнскую плату или карту рас­ширения другой подсистемы ПК. Отдельные функциональные модули звуковой системы могут выполняться в виде дочерних плат, устанавливаемых в соответствующие разъемы звуковой карты.

Классическая звуковая система, как показано на рис.1, содержит:

Структура звуковой системы ПК

• модуль записи и воспроизведения звука:
• модуль синтезатора;
• модуль интерфейсов;
• модуль микшера;
• акустическую систему .

Первые четыре модуля, как правило, устанавливаются на зву­ковой карте. Причем существуют звуковые карты без модуля син­тезатора или модуля записи воспроизведения цифрового звука. Каждый из модулей может быть выполнен либо в виде отдельной микросхемы, либо входить в состав многофункциональной мик­росхемы. Таким образом, Chipset звуковой системы может содер­жать как несколько, так и одну микросхему.

Конструктивные исполнения звуковой системы ПК претерпе­вают существенные изменения; встречаются материнские платы с установленным на них Chipset для обработки звука.

Однако назначение и функции модулей современной звуковой системы (независимо от ее конструктивного исполнения) не ме­няются. При рассмотрении функциональных модулей звуковой карты принято пользоваться терминами «звуковая система ПК» или «звуковая карта»

2. Модуль записи и воспроизведения

Модуль записи и воспроизведения звуковой системы осуществляет аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразования в режиме программной передачи звуковых данных или передачи их по каналам DMA (Direct Memory Access — канал прямого доступа к памяти).

Звук , как известно, представляет собой продольные волны, свободно распространяющиеся в воздухе или иной среде , поэтому звуковой сигнал непрерывно изменяется во времени и в про­странстве.

Запись звука — это сохранение информации о колебаниях зву­кового давления в момент записи. В настоящее время для записи и передачи информации о звуке используются аналоговые и циф­ровые сигналы. Другими словами, звуковой сигнал может быть представлен в аналоговой или цифровой форме .

Если при записи звука пользуются микрофоном, который пре­образует непрерывный во времени звуковой сигнал в непрерыв­ный во времени электрический сигнал, получают звуковой сиг­нал в аналоговой форме. Поскольку амплитуда звуковой волны определяет громкость звука, а ее частота - высоту звукового тона, постольку для сохранения достоверной информации о звуке на­пряжение электрического сигнала должно быть пропорционально звуковому давлению, а его частота должна соответствовать часто­те колебаний звукового давления.

На вход звуковой карты ПК в большинстве случаев звуковой сигнал подается в аналоговой форме. В связи с тем что ПК опери­рует только цифровыми сигналами, аналоговый сигнал должен быть преобразован в цифровой. Вместе с тем акустическая систе­ма, установленная на выходе звуковой карты ПК, воспринимает только аналоговые электрические сигналы, поэтому после обра­ботки сигнала с помощью ПК необходимо обратное преобразова­ние цифрового сигнала в аналоговый.

представляет собой преобра­зование аналогового сигнала в цифровой и состоит из следующих основных этапов: дискретизации, квантования и кодирования. Схема аналого-цифрового преобразования звукового сигнала пред­ставлена на рис. 2

Предварительно аналоговый звуковой сигнал поступает на ана­логовый фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала.

Дискретизация сигнала

Дискретизация сигнала заключается в выборке отсче­тов аналогового сигнала с заданной периодичностью и определя­йся частотой дискретизации. Причем частота дискретизации должна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники (частотной составляющей) исходного звукового сигнала. Поскольку человек способен слышать звуки в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, максимальная частота дискретизации исходного звукового сигнала должна составлять не менее 40 кГц, т. е. отсчеты требуется проводить 40 000 раз в секунду. В связи с этим в большинстве современных звуковых систем ПК максимальная частота дискретизации звукового сигнала составляет 44,1 или 48 кГц.

Квантование

Квантование по амплитуде представляет собой измерение мгновенных значений амплитуды дискретного по времени сигнала и преобразование его в дискретный по времени и амплитуде. На рис. 3 показан процесс квантования по уровню аналогового сигнала, причем мгновенные значения амплитуды кодируются 3-разрядными числами.

Кодирование

Кодирование заключается в преобразовании в цифровой код квантованного сигнала. При этом точность измерения при кван­товании зависит от количества разрядов кодового слова. Если зна­чения амплитуды записать с помощью двоичных чисел и задать длину кодового слова N разрядов, число возможных значений ко­довых слов будет равно 2 N . Столько же может быть и уровней квантования амплитуды отсчета. Например, если значение амплитуды отсчета представляется 16-разрядным кодовым словом, максималь­ное число градаций амплитуды (уровней квантования) составит 2 1б =65 536. Для 8-разрядного представления соответственно полу­чим 2 8 = 256 градаций амплитуды.

Аналого-цифровое и Цифроаналоговое преобразование

Аналого-цифровое преобразование осуществляется специаль­ным электронным устройством - аналого-цифровым преобразова­телем (АЦП) , в котором дискретные отсчеты сигнала преобразу­ются в последовательность чисел. Полученный поток цифровых данных, т.е. сигнал, включает как полезные, так и нежелатель­ные высокочастотные помехи, для фильтрации которых получен­ные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр.

Цифроаналоговое преобразование в общем случае происходит в два этапа, как показано на рис.4. На первом этапе из потока цифровых данных с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) выделяют отсчеты сигнала, следующие с частотой диск­ретизации. На втором этапе из дискретных отсчетов путем сглажи­вания (интерполяции) формируется непрерывный аналоговый сиг­нал с помощью фильтра низкой частоты, который подавляет пе­риодические составляющие спектра дискретного сигнала.

Для записи и хранения звукового сигнала в цифровой форме требуется большой объем дискового пространства. Например, сте­реофонический звуковой сигнал длительностью 60 с, оцифрован­ный с частотой дискретизации 44,1 кГц при 16-разрядном кван­товании для хранения требует на винчестере около 10 Мбайт.

Для уменьшения объема цифровых данных, необходимых для представления звукового сигнала с заданным качеством, исполь­зуют компрессию (сжатие) , заключающуюся в уменьшении количества отсчетов и уровней квантования или числа бит, при­ходящихся на один отсчет.

Подобные методы кодирования звуковых данных с использо­ванием специальных кодирующих устройств позволяют сократить объем потока информации почти до 20 % первоначального. Выбор метода кодирования при записи аудиоинформации зависит от набора программ сжатия - кодеков (кодирование-декодиро­вание) , поставляемых вместе с программным обеспечением зву­ковой карты или входящих в состав операционной системы.

Выполняя функции аналого-цифрового и цифроаналогового преобразований сигнала, модуль записи и воспроизведения циф­рового звука содержит АЦП, ЦАП и блок управления, которые обычно интегрированы в одну микросхему, также называемую кодеком .

Основными характеристиками этого модуля являют­ся: частота дискретизации; тип и разрядность АЦП и ЦАП; спо­соб кодирования аудиоданных; возможность работы в режиме Full Duplex.

Частота дискретизации определяет максимальную час­тоту записываемого или воспроизводимого сигнала. Для записи и воспроизведения человеческой речи достаточно 6 - 8 кГц; му­зыки с невысоким качеством - 20 - 25 кГц; для обеспечения высококачественного звучания (аудиокомпакт-диска) частота дискретизации должна быть не менее 44 кГц. Практически все звуковые карты поддерживают запись и воспроизведение стерео­фонического звукового сигнала с частотой дискретизации 44,1 или 48 кГц.

Разрядность АЦП и ЦАП определяет разрядность пред­ставления цифрового сигнала (8, 16 или 18 бит). Подавляющее большинство звуковых карт оснащено 16-разрядными АЦП и ЦАП. Такие звуковые карты теоретически можно отнести к классу Hi-Fi, которые должны обеспечивать студийное качество звуча­ния. Некоторые звуковые карты оснащаются 20- и даже 24-раз­рядными АЦП и ЦАП, что существенно повышает качество запи­си/воспроизведения звука.

Full Duplex (полный дуплекс) - режим передачи данных по каналу, в соответствии с которым звуковая система может одно­временно принимать (записывать) и передавать (воспроизводить) аудиоданные. Однако не все звуковые карты поддерживают этот режим в полном объеме, поскольку не обеспечивают высокое ка­чество звука при интенсивном обмене данными. Такие карты можно использовать для работы с голосовыми данными в Internet, на­пример, при проведении телеконференций, когда высокое качество звука не требуется.

3. Модуль синтезатора

Электромузыкальный цифровой синтезатор звуковой системы позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе звучание реальных музыкальных инструментов . Принцип действия синтезатора иллюстрирует рис. 5

Синтезирование представляет собой процесс воссоздания струк­туры музыкального тона (ноты). Звуковой сигнал любого музыкаль­ного инструмента имеет несколько временных фаз. На рис. 5 а показаны фазы звукового сигнала, возникающего при нажатии клавиши рояля. Для каждого музыкального инструмента вид сиг­нала будет своеобразным, но в нем можно выделить три фазы: атаку, поддержку и затухание . Совокупность этих фаз называется амплитудной огибающей , форма которой зависит от типа музы­кального инструмента. Длительность атаки для разных музы­кальных инструментов изменяется от единиц до нескольких де­сятков или даже до сотен миллисекунд. В фазе, называемой под­держкой , амплитуда сигнала почти не изменяется, а высота музыкального тона формируется во время поддержки. Последней фазе, затуханию , соответствует участок достаточно быстрого уменьшения амплитуды сигнала.

В современных синтезаторах звук создается следующим обра­зом. Цифровое устройство, использующее один из методов синте­за, генерирует так называемый сигнал возбуждения с заданной высотой звука (ноту), который должен иметь спектральные ха­рактеристики, максимально близкие к характеристикам имити­руемого музыкального инструмента в фазе поддержки, как пока­зано на рис. 5б. Далее сигнал возбуждения подается на фильтр, имитирующий амплитудно-частотную характеристику реального музыкального инструмента. На другой вход фильтра подается сигнал амплитудной огибающей того же инструмента. Далее совокупность сигналов обрабатывается с целью получения специальных звуковых эффектов, например, эха (реверберация), хорового исполнения (хо-рус). Далее производятся цифроаналоговое преобразование и фильт­рация сигнала с помощью фильтра низких частот (ФНЧ).

Основные характеристики модуля синтезатора:

• метод синтеза звука;
• объем памяти;
• возможность аппаратной обработки сигнала для создания зву­ковых эффектов;
• полифония - максимальное число одновременно воспроиз­водимых элементов звуков.

Метод синтеза звука

Метод синтеза звука , использующийся в звуковой системе ПК, определяет не только качество звука, но и состав системы.

На практике на звуковых картах устанавливаются синтезаторы, гене­рирующие звук с использованием следующих методов.

1. Метод синтеза на основе частотной модуляции (Frequency Modulation Synthesis - FM-синтез) предполагает исполь­зование для генерации голоса музыкального инструмента как ми­нимум двух генераторов сигналов сложной формы. Генератор не­сущей частоты формирует сигнал основного тона, частотно-мо­дулированный сигналом дополнительных гармоник, обертонов, определяющих тембр звучания конкретного инструмента. Генера­тор огибающей управляет амплитудой результирующего сигнала. FM-генератор обеспечивает приемлемое качество звука, отлича­ется невысокой стоимостью, но не реализует звуковые эффекты. В связи с этим звуковые карты, использующие этот метод, не рекомендуются в соответствии со стандартом РС99.

2. Синтез звука на основе таблицы волн (Wave Table Synthesis - WT-синтез) производится путем использования пред­варительно оцифрованных образцов звучания реальных музыкаль­ных инструментов и других звуков, хранящихся в специальной ROM, выполненной в виде микросхемы памяти или интегриро­ванной в микросхему памяти WT-генератора. WT-синтезатор обес­печивает генерацию звука с высоким качеством. Этот метод син­теза реализован в современных звуковых картах.

Объем памяти на звуковых картах с WT-синтезатором может увеличиваться за счет установки дополнительных элементов па­мяти (ROM) для хранения банков с инструментами.

Звуковые эффекты формируются с помощью специального эффект-процессора , который может быть либо самостоя­тельным элементом (микросхемой), либо интегрироваться в состав WT-синтезатора. Для подавляющего большинства карт с WT-синтезом эффекты реверберации и хоруса стали стандартными.

Синтез звука на основе физического моделирования . Предусматривает использование математических моделей звуко­образования реальных музыкальных инструментов для генера­ции в цифровом виде и для дальнейшего преобразования в зву­ковой сигнал с помощью ЦАП. Звуковые карты, использую­щие метод физического моделирования, пока не получили широкого распространения, поскольку для их работы требует­ся мощный ПК.

Полифония – максимальное количество одновременно воспроизводимых элементарных звуков. Для каждого типа звуковой карты значение полифонии может быть свое. (от 20 и больше голосов).

4. Модуль интерфейсов

Модуль интерфейсов обеспечивает обмен данными между звуко­вой системой и другими внешними и внутренними устройствами .

Интерфейс ISA в 1998 г. был вытеснен в звуковых картах интер­фейсом PCI.

Интерфейс РСI обеспечивает широкую полосу пропускания (например, версия 2.1 - более 260 Мбит/с), что позволяет пере­давать потоки звуковых данных параллельно. Использование шины PCI позволяет повысить качество звука, обеспечив отношение сигнал/шум свыше 90 дБ. Кроме того, шина PCI обеспечивает возможность кооперативной обработки звуковых данных, когда задачи обработки и передачи данных распределяются между зву­ковой системой и CPU.

MIDI (Musical Instrument Digital Interface) - цифровой интерфейс музыкальных инструментов) регламентируется специальным стан­дартом, содержащим спецификации на аппаратный интерфейс: типы каналов, кабели, порты, при помощи которых MIDI-устройства подключаются один к другому, а также описание поряд­ка обмена данными - протокола обмена информацией между MIDI-устройствами. В частности, с помощью MIDI-команд мож­но управлять светотехнической аппаратурой, видеооборудовани­ем в процессе выступления музыкальной группы на сцене. Уст­ройства с MIDI-интерфейсом соединяются последовательно, об­разуя своеобразную MIDI-сеть, которая включает контроллер - управляющее устройство, в качестве которого может быть исполь­зован как ПК, так и музыкальный клавишный синтезатор, а так­же ведомые устройства (приемники), передающие информацию в контроллер по его запросу. Суммарная длина MIDI-цепочки не ограничена, но максимальная длина кабеля между двумя MIDI-Устройствами не должна превышать 15 метров.

Подключение ПК в MIDI-сеть осуществляется с помощью спе­циального MIDI-адаптера, который имеет три MIDI-порта: ввода, вывода и сквозной передачи данных, а также два разъема для Подключения джойстиков.

В состав звуковой карты входит интерфейс для подключения приводов CD-ROM.

5. Модуль микшера

Модуль микшера звуковой карты выполняет:

• коммутацию (подключение/отключение) источников и при­емников звуковых сигналов, а также регулирование их уровня;
• микширование (смешивание) нескольких звуковых сигналов и регулирование уровня результирующего сигнала.

К числу основных характеристик модуля микшера относятся:

• число микшируемых сигналов на канале воспроизведения;
• регулирование уровня сигнала в каждом микшируемом ка­нале;
• регулирование уровня суммарного сигнала;
• выходная мощность усилителя;
• наличие разъемов для подключения внешних и внутренних приемников/источников звуковых сигналов.

Источники и приемники звукового сигнала соединяются с модулем микшера через внешние или внутренние разъемы. Вне­шние разъемы звуковой системы обычно находятся на задней па­нели корпуса системного блока:

• Joystic k / MIDI - для подключе­ния джойстика или MIDI-адаптера;
• Mic In - для подключения микрофона;
• Line In - линейный вход для подключения любых источников звуковых сигналов;
• Line Out - линейный выход для подключения любых приемников звуковых сигналов;
• Speaker - для подключения головных телефонов (наушников) или пассив­ной акустической системы.

Программное управление микшером осуществляется либо сред­ствами Windows, либо с помощью программы-микшера, поставля­емой в комплекте с программным обеспечением звуковой карты.

Совместимость звуковой системы с одним из стандартов зву­ковых карт означает, что звуковая система будет обеспечивать качественное воспроизведение звуковых сигналов. Проблемы со­вместимости особенно важны для DOS-приложений. Каждое из них содержит перечень звуковых карт, на работу с которыми DOS-приложение ориентировано.

Стандарт Sound Blaster поддерживают приложения в виде игр для DOS, в которых звуковое сопровождение запрограммировано с ориентацией на звуковые карты семейства Sound Blaster.

Стандарт Windows Sound System (WSS) фирмы Microsoft вклю­чает звуковую карту и пакет программ, ориентированный в ос­новном на бизнес-приложения.

6. Акустическая система

Акустическая система (АС) непосредственно преобразует зву­ковой электрический сигнал в акустические колебания и являет­ся последним звеном звуковоспроизводящего тракта.

Акустическая система

В состав АС, как правило, входят несколько звуковых коло­нок , каждая из которых может иметь один или несколько дина­миков.

Количество колонок в АС зависит от числа компонентов, составляющих звуковой сигнал и образующих отдельные звуко­вые каналы.

Например, стереофонический сигнал содержит два компонен­та - сигналы левого и правого стереоканалов, что требует не ме­нее двух колонок в составе стереофонической акустической сис­темы.

Звуковой сигнал в формате Dolby Digita l содержит инфор­мацию для шести звуковых каналов : два фронтальных стереокана­ла, центральный канал (канал диалогов), два тыловых канала и канал сверхнизких частот. Следовательно, для воспроизведения сигнала Dolby Digital акустическая система должна иметь шесть звуковых колонок.

Как правило, принцип действия и внутреннее устройство зву­ковых колонок бытового назначения и используемых в техниче­ских средствах информатизации в составе акустической системы PC практически не различаются.

В основном АС для ПК состоит из двух звуковых колонок , ко­торые обеспечивают воспроизведение стереофонического сигна­ла. Обычно каждая колонка в АС для ПК имеет один динамик, однако в дорогих моделях используются два: для высоких и низ­ких частот. При этом современные модели акустических систем позволяют воспроизводить звук практически во всем слышимом частотном диапазоне благодаря применению специальной конст­рукции корпуса колонок или громкоговорителей.

Для воспроизведения низких и сверхнизких частот с высоким качеством в АС помимо двух колонок используется третий звуко­вой агрегат - сабвуфер (Subwoofer ) , устанавливаемый под ра­бочим столом. Такая трехкомпонентная АС для ПК состоит из двух так называемых сателлитных колонок , воспроизводящих средние и высокие частоты (примерно от 150 Гц до 20 кГц), и сабвуфера, воспроизводящего частоты ниже 150 Гц.

Отличительная особенность АС для ПК - возможность нали­чия собственного встроенного усилителя мощности . АС со встро­енным усилителем называется активной . Пассивная АС усилителя Не имеет.

Главное преимущество активной АС состоит в возможности подключения к линейному выходу звуковой карты . Питание ак­тивной АС осуществляется либо от батареек (аккумуляторов), либо от электрической сети через специальный адаптер, выполненный в виде отдельного внешнего блока или модуля питания, устанав­ливаемого в корпус одной из колонок.

Выходная мощность акустических систем для ПК может изме­няться в широком диапазоне и зависит от технических характе­ристик усилителя и динамиков. Если система предназначена для озвучивания компьютерных игр, достаточно мощности 15 — 20 Вт на колонку для помещения средних размеров. При необходимо­сти обеспечения хорошей слышимости во время лекции или пре­зентации в большой аудитории возможно использовать одну АС, имеющую мощность до 30 Вт на канал. С увеличением мощности АС увеличиваются ее габаритные размеры и повышается сто­имость.

Современные модели акустических систем имеют гнездо для головных телефонов, при подключении которых воспроизведе­ние звука через колонки автоматически прекращается.

Акустическая система Microlab

Основные характеристики АС:

• полоса воспроизводимых час­тот,
• чувствительность,
• коэффициент гармоник,
• мощность .

Полоса воспроизводимых частот (FrequencyRespon­se ) - это амплитудно-частотная зависимость звукового давления, или зависимость звукового давления (силы звука) от частоты пе­ременного напряжения, подводимого к катушке динамика.

Поло­са частот, воспринимаемых ухом человека, находится в диапазо­не от 20 до 20 000 Гц.

Колонки, как правило, имеют диапазон, ограниченный в области низких частот 40 - 60 Гц. Решить пробле­му воспроизведения низких частот позволяет использование саб­вуфера.

Чувствительность звуковой колонки (Sensitivity) характеризуется звуковым давлением, которое она создает на рас­стоянии 1 м при подаче на ее вход электрического сигнала мощ­ностью 1 Вт.

В соотвеЗвуковая система ПК в виде звуковой карты появилась в 1989 г., существенно расширив возможности ПК как технического сред­ства информатизации.Источники и приемники звукового сигнала соединяются с модулем микшера через внешние или внутренние разъемы. Вне­шние разъемы звуковой системы обычно находятся на задней па­нели корпуса системного блока:/h3nbsp;stron/bgbтствии с требованиями стандартов чувстви­тельность определяется как среднее звуковое давление в опреде­ленной полосе частот.

Чем выше значение этой характеристики, тем лучше АС пере­дает динамический диапазон музыкальной программы. Разница между самыми «тихими» и самыми «громкими» звуками совре­менных фонограмм 90 - 95 дБ и более. /emАС с высокой чувствитель­ностью достаточно хорошо воспроизводят как тихие, так и гром­кие звуки.

Коэффициент гармоник

Коэффициент гармоник (Total Harmonic Distortion - THD) оценивает нелинейные искажения, связанные с появлени­ем в выходном сигнале новых спектральных составляющих.

Коэф­фициент гармоник нормируется в нескольких диапазонах частот. Например, для высококачественных АС класса Hi-Fi этот коэф­фициент не должен превышать: 1,5% в диапазоне частот 250-1000 Гц; 1,5 % в диапазоне частот 1000-2000 Гц и 1,0 % в диапа­зоне частот 2000 - 6300 Гц.

Чем меньше значение коэффициента гармоник, тем качественнее АС.

Электрическая мощность

Электрическаямощность (Power Handling) , которую выдерживает АС, является одной из основных характеристик. Однако нет прямой взаимосвязи между мощностью и качеством воспроизведения звука. Максимальное звуковое давление зависит скорее, от чувствительности, а мощность АС в основном опреде­ляет ее надежность .

Часто на упаковке АС для ПК указывают значение пиковой мощности акустической системы, которая не всегда отражает ре­альную мощность системы, поскольку может превышать номи­нальную в 10 раз. Вследствие существенного различия физических процессов, происходящих при испытаниях АС, значения элек­трических мощностей могут отличаться в несколько раз. Для срав­нения мощности различных АС необходимо знать, какую именно мощность указывает производитель продукции и какими метода­ми испытаний она определена.

Среди производителей высококачественных и дорогих АС - фирмы Creative, Yamaha, Sony, Aiwa . AC более низкого класса выпускают фирмы Genius, Altec, JAZZ Hipster.

Некоторые модели колонок фирмы Microsoft подключаются не к звуковой карте, а к порту USB. В этом случае звук поступает на колонки в цифровом виде, а его декодирование производит не­большой Chipulb, каждая из которых может иметь один или несколько дина­миков.pset, установленный в колонках.

7. Направления совершенствования звуковой системы

В настоящее время фирмы Intel, Compaq и Microsoft предло­жили новую архитектуру звуковой системы ПК . Согласно этой архитектуре модули обработки звуковых сигналов выносятся за пределы корпуса ПК , в котором на них действуют электричес­кие помехи, и размещаются, например, в колонках акустической системы. В этом случае звуковые сигналы передаются в цифровой форме, что значительно повышает их помехозащищенность и ка­чество воспроизведения звука. Для передачи цифровых данных в Цифровой форме предусматривается использование высокоско­ростных шин USB и IEEE 1394.

Еще одним направлением совершенствования звуковой систе­мы является создание объемного (пространственного) звука, на­зываемого трехмерным, или 3D-Sound (Three Dimentional Sound) . Для получения объемного звучания производится специальная обработка фазы сигнала: фазы выходных сигналов левого и правого каналов сдвигаются относительно исходного. При этом ис­пользуется свойство мозга человека определять положение источ­ника звука путем анализа соотношения амплитуд и фаз звукового сигнала, воспринимаемого каждым ухом. Пользователь звуковой системы, оборудованной специальным модулем обработки 3D-звука, ощущает эффект «перемещения» источника звука.

Новым направлением применения мультимедийных технологий является создание домашнего театра на базе ПК (PC — Theater ) ,т.е. варианта мультимедийного ПК, предназначенного одновременно нескольким пользователям для наблюдения за игрой, просмотра образовательной программы или фильма в стандарте DVD. PC-Theater в своем составе имеет специальную многоканальную акустическую систему, формирующую объемный звук (Surround Sound ). Системы Surround Sound создают в помещении различные звуковые эффекты, причем пользователь ощущает, что он нахо­дится в центре звукового поля, а источники звука - вокруг него. Многоканальные звуковые системы Surround Sound используют­ся в кинотеатрах и уже начинают появляться в виде устройств бытового назначения.

В многоканальных системах бытового назначения звук записы­вается на двух дорожках лазерных видеодисков или видеокассет по технологии Dolby Surround , разработанной фирмой Dolby Laboratories. К наиболее известным разработкам в этом направле­нии относятся:

Dolby (Surround ) Pro Logic - четырехканальная звуковая систе­ма, содержащая левый и правый стереоканалы, центральный ка­нал для диалогов и тыловой канал для эффектов.

Dolby Surround Digital - звуковая система, состоящая из 5 + 1 ка­налов: левого, правого, центрального, левого и правого каналов тыловых эффектов и канала сверхнизких частот. Запись сигналов для системы выполняется в виде цифровой оптической фоно­граммы на кинопленке.

В отдельных моделях акустических колонок помимо стандарт­ных регуляторов высоких/низких частот, громкости и баланса имеются кнопки для включения специальных эффектов, напри­мер, ЗD-звука, Dolby Surround и др.

Контрольные вопросы

1. Какие основные функции выполняет звуковая система ПК?
2. Какие основные компоненты входят в состав звуковой системы ПК?
3. Исходя из каких соображений выделяется частота дискретизации сигнала в процессе аналого-цифрового преобразования?
4. Перечислите основные этапы аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования.
5. Какие основные параметры характеризуют модуль записи и воспро­изведения звука?
6. Какие применяют методы синтеза звука?
7. Какие функции выполняет модуль микшера и что относится к чис­лу его основных характеристик?
8. В чем отличие пассивной акустической системы от активной?

Каждый, кто работает с профессиональным звуком, наверняка хоть раз сталкивался с интегрированными системами фонового звука. Ведь ни для кого не секрет, что из таких малых и средних проектов может состоять едва ли не бо льшая часть продаж и у дистрибьютора оборудования, и у дилера, и у инсталлятора. А, в отличие от больших систем, «распределёнка» не требует сложных расчетов, создания акустических моделей и другой рутинной предпродажной работы. Опытный специалист может составить типовую спецификацию «в уме», зная только габаритные размеры помещения. И, конечно, такая система будет работать, но, как говорится в известном анекдоте, есть один нюанс…

Благодаря успешной работе маркетологов и продавцов, владельцы и франчайзи кафе, ресторанов, магазинов и торговых центров по всему миру, и в нашей стране, теперь вполне понимают, что правильный звук - это важно как для настроения и лояльности клиента, так и для эффективности того же рекламного контента. И, пусть я сейчас говорю выдержками из красочных каталогов любого производителя потолочных акустических систем, результаты труда маркетологов мы видим - все серьезные мировые бренды давно вышли на российский рынок и обратили клиента в свою веру. А грамотный руководитель бизнеса в этой сфере наконец перестал пренебрегать качеством звука, как было еще не так давно.

Казалось бы, дело сделано - формируй типовое предложение и меняй в нем количество акустических систем в зависимости от конфигурации помещения. Но всё не так просто. Вернее, относительно просто, если подходить к построению систем с позиции наименьших временных затрат на единицу товара. И в этом есть логика. А самый неоспоримый аргумент - «это ж не филармония!» - уже стал практически хрестоматийным, и он идеально применим к любому объекту, кроме, собственно говоря, той самой филармонии.

Вероятно, кто-то из вас скажет: «Это праздные рассуждения ни о чем», поэтому я перейду, наконец, к главному.

Сверхзадача статьи как раз и состоит в развенчивании распространенного мнения о том, что проектирование системы фонового звука не стоит хоть сколько-нибудь серьезных временных и умственных затрат. Что касается времени, я частично соглашусь - мало кто из нас располагает им в таком количестве, чтобы позволить себе потратить часик-другой на выбор одной из двух соседних потолочных секций для громкоговорителя. А вот подключение инженерной мысли поможет нам получить лучший результат из тех же продуктов, что и у конкурентов. И результат при правильном подходе понравится как клиенту, так и вашему отделу продаж. Согласитесь, что при нынешнем ассортименте очень похожего друг на друга звукового оборудования разных производителей, предназначенного для коммерческих систем, всё же главный, если не единственный, способ привлечь и удержать клиента - предложить наиболее привлекательную цену. И поскольку редкий покупатель будет с трепетом относиться к качеству звучания и сможет его объективно оценить, в большинстве случаев выиграет тот, предложит более экономичное решение.

Но давайте попробуем абстрагироваться от всех коммерческих составляющих и сконцентрируемся на родном и близком сердцу - на инженерной части.

Инженер, твой выход!

Существует тысяча и одна рекомендация по расчету тех же потолочных акустических систем. Давайте именно с них и начнем. Что только не предлагают нам производители для упрощения нашего труда… Один вендор распространяет среди партнёров талмуды с рекомендациями по расчету, другой предлагает «юзер-френдли» акустические симуляторы, в которых любой может нарисовать нужную конфигурацию громкоговорителей, третий пишет приложения-калькуляторы, в которые достаточно ввести линейные размеры помещения, и получишь сформированный отчет со схемой расположения. Среди последних, например, JBL, предлагающий свой калькулятор чуть ли не для каждой серии продукции. Это, признаюсь, наиболее удобно, и при правильном использовании дает быстрый и приближенный к реальности результат. Но обо всём по порядку.

Считаю необходимым «разобрать по косточкам» плюсы и минусы существующих методов.

Метод, который без сомнения автономен и энергонезависим - графический, похожий по своему принципу на построение лучевого эскиза. Для него требуется знать номинальный угол раскрытия громкоговорителя и высоту потолка. Вот как выглядит результат:

Рис. 1. Графический расчет шага расположения потолочных громкоговорителей. A - расстояние от пола до ушей слушателя; B - расстояние от ушей до потолка; C - угол раскрытия громкоговорителя; D - точка пересечения лучей соседних громкоговорителей.

Все достаточно просто. Графически изображается угол раскрытия громкоговорителя, высота ушей слушателя (принято брать 1-1,2 метра человек в сидячем положении и 1,5 метра - в стоячем), и точка пересечения горизонтали и лучей угла раскрытия считается критической точкой, которую должен пересекать луч от соседнего громкоговорителя. Таким способом и определяют шаг расположения акустических систем.

А теперь копнем чуть глубже. Известно, что величина угла раскрытия, указанная в паспорте громкоговорителя является номинальной, т.е. усредненной по частотной полосе, определяемой производителем на своё усмотрение. И ни для кого не секрет, что направленные свойства любого реального излучателя серьезно разнятся в различных частотных полосах. В результате, мы выполняем расчет, порой даже не зная, в каком диапазоне получили правильное покрытие. Так что, коллеги, будьте внимательны - сделав такой расчет с использованием номинального угла раскрытия, вы вполне можете получить «ямы» в частотных полосах, например, выше 8-10 кГц.

Теперь еще один нюанс. Номинальный угол раскрытия, как правило, высчитывается из полярных диаграмм таким образом, что при отклонении в сторону от оси излучения на ½ заявленного угла раскрытия падение уровня давления составит 6 дБ. Притом, снова внимание, на равном расстоянии от излучателя.

Рис. 2. Графический расчет шага расположения потолочных громкоговорителей. A - расстояние от пола до ушей слушателя; B - расстояние от ушей до потолка; C - угол раскрытия громкоговорителя; D - точка падения уровня звукового давления на 6 дБ

Выходит, в точке пересечения горизонтали и луча падение будет уже не 6 дБ, а больше. Ну, ничего страшного, вооружаемся циркулем и решаем проблему.

Однако это тоже ещё далеко не всё. Как вы думаете, когда мы пересечем лучи от соседних громкоговорителей в правильной точке, какое давление мы там получим? Имея 2 волны с уровнем давления по -6 дБ SPL относительно оси излучения, мы можем сложить их по правилу энергетического суммирования (Л1, стр.33) как два равных давления и получить сумму, равную -3 дБ относительно оси. Однако это правило работает в случае некогерентного сложения, т.е. например, при неодинаковом расстоянии от источников, а вот в точке пересечения лучей волны когерентны (синфазны), и только в ней складываются во всём спектре, давая удвоение давления, т.е. оно будет практически таким же, как на оси излучения. На рисунке ниже представлен результат расчета в модели с двумя близко расположенными потолочными громкоговорителями.

Рис. 3. Расчет уровня звукового давления с использованием двух потолочных громкоговорителей в октавной полосе с центров на частоте 500 Гц.

В итоге получается вот какая картина: когерентное сложение волн ровно между громкоговорителями существует всегда и дает повышение до +3 дБ на довольно малой площади, а буквально в сантиметрах от этого «шва» волны суммируются некогерентно и наблюдается падение давления. И сразу поясню, что полностью избавиться от этого «шва» не удастся. Ниже приведены результаты акустического моделирования с разным шагом громкоговорителей.

Рис. 4. Диаграмма звукового давления при расположении громкоговорителей на высоте 3 метра от пола с шагом 1.5 метра. Расчет сделан в треть-октавных полосах 10 кГц (нижняя диаграмма) и 400 Гц (верхняя диаграмма).

Рис. 5. Диаграмма звукового давления при расположении громкоговорителей на высоте 3 метра от пола с шагом 3 метра. Расчет сделан в треть-октавных полосах 10 кГц (нижняя диаграмма) и 400 Гц (верхняя диаграмма).

Рис. 6. Диаграмма звукового давления при расположении громкоговорителей на высоте 3 метра от пола с шагом 4,5 метра. Расчет сделан в треть-октавных полосах 10 кГц (нижняя диаграмма) и 400 Гц (верхняя диаграмма).

Шило или мыло?

Ну что ж, результат симуляции показал, что негативный для равномерности покрытия результат даёт как слишком большой шаг громкоговорителей, так и слишком малый. И как раз слишком малое расстояние является едва ли не более серьезной проблемой, ведь распространено заблуждение, что расположив акустические системы с минимальным шагом, мы получим равномерное покрытие по всей области частот. Для высокочастотной области этот тезис справедлив, поскольку любой громкоговоритель обладает более узкой диаграммой направленности в области высоких частот. А что касается некогерентного сложения волн, благодаря интерференции в области низких частот давление в точках пересечения лучей будет гарантированно больше, чем прямо под громкоговорителем, как бы парадоксально это не звучало. Более того, интерференционная картина будет меняться в каждой точке, и чем ближе друг к другу расположены громкоговорители, тем разительнее будут эти изменения. Так стоит ли равномерное покрытие в области высоких частот таких жертв? Не думаю.

Чтобы стало немного понятнее, внесу уточнения. Как известно, направленность волны зависит от её длины - длинные волны (частотой от 160 Гц и ниже) являются всенаправленными, т.е. угол раскрытия любого громкоговорителя на частоте, например, 80 Гц будет равен 360 градусам. В случае с потолочными системами, само собой, 180 градусов. А короткие волны обладают более узкой направленностью, что обусловлено физикой процесса распространения волн. Так, в октавной полосе 16 кГц средний потолочный громкоговоритель может иметь угол раскрытия (на -6 дБ) 45-60 градусов при паспортных номинальных 120 градусах, усредненных по диапазону 1 кГц-8 кГц. Получается, чтобы избежать «звуковых ям», расчет следует проводить, беря за основу именно характеристику раскрытия громкоговорителя на высоких частотах. Верно. Только не столь узконаправленные длинные волны будут создавать несравнимо большее давление, многократно складываться и вычитаться, создавая проиллюстрированные выше суммы и разности с тем бо льшим разбросом давлений, чем ближе друг к другу расположены их источники.

На основании прочитанного Вы имеете полное право обвинить меня в том, что я не дал очевидного ответа, как же именно правильно располагать громкоговорители. Так и есть, но если бы однозначный ответ существовал, в наших услугах не было бы нужды и спроектировать звуковую систему смог бы любой. Именно в этом заключается мастерский, как сейчас его называют, «system design» - в нахождении компромиссного решения, в балансировке между взаимоисключающими требованиями и условиями.

А в остальном, прекрасная Маркиза, всё хорошо, всё хорошо!

Перфекционизм - не такая уж плохая черта, но иногда для продуктивной работы требуется достижимый ориентир. И он у нас тоже есть. В количественной оценке равномерности звукового поля неплохо помогает используемое в статистике т.н. Стандартное Отклонение (STDev). Не буду углубляться в объяснение этого понятия - велик шанс углубиться слишком сильно.

Рис. 7. Стандартное отклонение

Перед нами график распределения неких случайных величин в пределах стандартного отклонения от математического ожидания. Возьмем его за основу, используя в качестве величин распределение уровней звукового давления в помещении.

А теперь договоримся, что значение μ на горизонтальной шкале - это среднее значение уровня звукового давления по всему помещению, а именно - наше математическое ожидание. Значение σ берем за 2 дБ (-20% +25% по абсолютному значению), поскольку вероятный разброс величин относительно ожидаемого может быть различным. Теперь наша задача понять, какой разброс нас удовлетворит, а какой будет считаться неприемлемым. Если на всей измеряемой площади давление одинаковое, то график превратится в прямую линию. Чем больше разброс величин, тем более крутым будет подъем и спад графика данной функции. Так вот, при достаточно равномерном звуковом поле большинство величин сконцентрировано вблизи среднего значения. И этим достаточно равномерным покрытием мы можем считать зону в пределах 1го стандартного отклонения, т.е. если на 68% от всей площади помещения уровень давления колеблется в пределах +-2 дБ от среднего по полному частотному диапазону, то требование выполнено. Правда, увидеть подобную статистику распределения давлений можно лишь проведя акустический расчет.

Несмотря на то, что в стандартах ISO или AES такая интерпретация не зафиксирована, в практике она нередко применяется и в целом отражает реальность, поэтому может служить для Вас хорошим ориентиром и отправной точкой в определении равномерности покрытия площади.

Но не забывайте, что усредненное по всему диапазону значение не всегда описывает полную картину.

Чёрный ящик

Ну что ж, с потолочными громкоговорителями вроде бы разобрались, насколько это было возможно в этом формате. А как быть с настенными системами? Всё ли так просто с ними, как мы привыкли думать? В целом значительно проще просто потому, что, как правило, мы крайне ограничены в размещении корпусных акустических систем - стены, углы, колонны. И при том далеко не любая точка стены доступна под установку громкоговорителя - где-то дизайнерская лепнина, где-то телевизор, где-то вентиляция и так далее.

И одно дело, когда нужно озвучить 100 кв. метров - подобрал угол раскрытия, раскидал по углам 4 громкоговорителя, и всё, готова система - а как поступать с большей площадью? Ищем несущие колонны посреди помещения, радуемся их наличию и облепляем их громкоговорителями. Ну а что делать - вариантов-то нет. Согласен, но с уточнениями. За ответом, как обычно, стоит обратиться к науке.

Вот пример расположения акустических систем в помещении.

Рис. 8. Расположение настенных громкоговорителей на колоннах

В общем смысле всё хорошо, и при правильном выбор громкоговорителей и правильном монтаже проблем не будет. Забегая вперед, скажу, что все из представленных мной далее схем расположения имеют право на существование, но с некими оговорками.

В случае если громкоговорители полнодиапазонные, с раскрытием в сумасшедшие 150 градусов (и такое бывает), расположение их в непосредственной близости друг от друга создаст Вам очень интересную картину интерференции. Чтобы долго не разглагольствовать, в этот раз сразу продемонстрирую акустический расчет, поскольку что-то более наглядное и доступное для понимания придумать сложно.

Рис. 9. Диаграмма уровня звукового давления при расположении громкоговорителей на колоннах в октавной полосе с центром на 500 Гц

Обратите внимание на полученные «лепестки» - это как раз и есть результат сложения и вычитания двух когерентных волн, и расположение их, конечно же, меняется в зависимости от длины волны. Ту же самую картину можно наблюдать при расположении громкоговорителей в кластерах - для правильного сложения волн нужно принимать ряд мер как при проектировании, так и при настройке, но это уже совсем другая история. На всякий случай я обозначу одно очевидное следствие этого факта: в результате интерференции тембр звуковой программы может быть серьезно искажен из-за вычитания некоторых частотных составляющих. Многие специалисты к несчастью, уверены, что любые тембральные искажения исправляются с помощью измерительного микрофона, спектроанализатора и эквалайзера, и искренне удивляются, пытаясь при настройке АЧХ системы «вытянуть» потерянную при интерференции частоту. А на графике ничего не происходит, сколько ни увеличивай гейн фильтра - на +6 дБ, на +12 дБ, да хоть два эквалайзера последовательно включи. Давление на этой частоте просто отсутствует, и взяться ему неоткуда, если в силу одной из множества причин в этом диапазоне произошло вычитание волн.

А теперь возьмем и попробуем избавиться от этих проблем, да еще и удешевим систему, уменьшив количество громкоговорителей.

Рис. 10. Расположение настенных громкоговорителей на колоннах

Рис. 11. Диаграмма уровня звукового давления при расположении громкоговорителей на колоннах в полном частотном диапазоне.

Получается вполне прилично: интерференционные проблемы решены, покрытие в зоне между колоннами близко к идеальному, когерентное сложение волн тоже не критично. В качестве бюджетного варианта такой дизайн вполне жизнеспособен - главное, чтобы шаг колонн позволил Вам уложиться в стандартное отклонение. Но некий нюанс всё же есть. И корень его закопан глубоко в фундаментальной науке.

Благодаря физиологии слуха и, вероятно, эволюции человек способен локализовывать звуковые события, т.е. определять, откуда прибыла звуковая волна - эту способность просто необходимо было выработать для выживания. А как быть когда звуковых волн много, как, например, в первобытной пещере, где помимо прямого звука от источника существует бесчисленное количество отражений, прибывающих со всех сторон? Очень просто. Достаточно было выработать способность определять направление первой волны, которая однозначно по кратчайшему пути прибудет непосредственно из условной пасти хищника, а любое отражение точно пройдёт больший путь и придёт с неким опозданием. Это явление описывает Закон первого волнового фронта (он же Precedence Effect). При наличии нескольких идентичных волн, приходящих с задержкой, мозг определяет направление исключительно по первой волне, даже если вторая и последующие имеет более высокий уровень (превышение до 10 дБ) и приходит с запаздыванием до 30 мс. Подробнее об этом занимательном эффекте и его описании можно прочитать в литературе по психоакустике.

Так к чему всё это? Теперь давайте смоделируем слушателя, движущегося по длине помещения по прямой траектории, и проследим, как для него будет меняться локализация звука. В процессе движения мимо первого громкоговорителя человек будет четко слышать звук слева, по мере его приближения к условной границе раскрытия соотношение интенсивностей волн слева и справа изменяется, поскольку в поле зрения появляется второй громкоговоритель. Наш объект достиг точки равного расстояния между громкоговорителями и обе волны когерентно сложились, дав ему +3 дБ к уровню давления, а локализация звука мгновенно перескочила в точку равного расстояния между источниками, т.е. как раз в то место, где находится в данный момент голова объекта. А следующий же шаг резко сместит звуковое событие вправо, поскольку волна от второго источника теперь будет приходить первой.

В принципе, ничего критичного в этом нет. Но если предполагаются постоянные перемещения клиентов по площади, как, например, в магазине, будет ли им комфортно слушать скачущий из точки в точку звук? Далеко не каждый слушатель анализирует причины своего дискомфорта и связывает их со звуком, восприятие окружения для него складывается несознательно и состоит из совокупности всех ощущений - визуального, аудиального, тактильного и остальных. И достаточно, чтобы хотя бы одно из них вызывало дискомфорт, чтобы остальные оказались незначительными, а субъективное впечатление было испорчено.

На финишной прямой

Пожалуй, основные вопросы расчета расположения громкоговорителей, были рассмотрены, однако будет не совсем честно с моей стороны не упомянуть о том, что почти все эти расчеты учитывают энергию прямой волны от излучателя. А в условиях реальных помещений, наполняемых не только прямым звуком, но и многочисленными отражениями, интерференционные вычитания, конечно, не будут создавать точки с нулевым звуковым давлением. Отраженные волны будут несколько нивелировать провалы и подъемы, само собой, не избавляя от них полностью, и значительно улучшать равномерность покрытия, компенсируя собой недостаток прямого звука в удаленных от его источника точках.

Кстати, один из интересных методов создания нелокализуемого фонового звучания системы основан на использовании реверберации помещения на пользу фоновому звуку. Заключается он в расположении всех акустических систем «лицом» в потолок. Такое расположение практически полностью избавляет слушателя от прямого звука из громкоговорителя, вся энергия, получаемая им, - это множество отраженных волн со всех направлений. Крайне интересный получается эффект в плане пространственности звучания. Единственный минус такого решения - ограничение по контенту. Быстрая поп или рок музыка, не рассчитанная на столь серьезное влияние реверберации, вряд ли прозвучит хорошо из такой системы.

P.S. А что, без кабеля не запоёт?

Несмотря на кажущуюся второстепенность вопроса о кабельных трассах, трудно переоценить важность спикерного (акустического) кабеля для любой звуковой системы. Говорю об этом с полной уверенностью, поскольку, к сожалению, в моей практике не всегда имеется возможность диктовать клиенту, какой кабель ему закупить, и это иногда приводит к немым сценам в стиле чеховского Ревизора, когда на объекте узнаётся, что для звуковой системы был проложен кабель ШВВП. В ответ на свой вопрос я получаю вполне резонный ответ - «А что, работает же!». Работает. Только так работает, что лучше б не работало. В общем, вы понимаете…

И именно поэтому привожу методику расчета сечения кабеля. Те из Вас, для кого она очевидна, и кто прекрасно знает, как делаются такие расчеты, могут смело пропускать эту часть статьи - ничего нового и доселе науке неизвестного я не приведу. А вот если вдруг Вы впервые столкнулись с необходимостью расчета, то эта информация будет полезна ввиду её прикладной применимости.

Расчет эффективного тока:

Расчет эффективной мощности, выделяемой на нагрузке:

100В линии.

Расчет суммарного сопротивления громкоговорителей в линии:
,где

Количество громкоговорителей на линии
- номинальная мощность одного громкоговорителя (Tap setting)

Остальные расчеты выполняются аналогично низкоомным линиям.

Суммарное сопротивление нагрузки в 100-вольтовой линии, как можно заметить, обычно получается не менее 1000 Ом. При таком высоком сопротивлении единицы Ом сопротивления кабеля незначительно влияют на общее сопротивление линии, и, следовательно, увеличивают потери мощности незначительно по сравнению с низкоомным подключением.

Теперь немного об интерпретации результатов. Как определить, какая потеря мощности является допустимой? В общем случае пороговым значением падения уровня мощности на кабеле принято считать 0,5 дБ. Это соответствует потере в 10% относительно номинальной мощности. Например, для 8-омного громкоговорителя допустимым номиналом в 1 кВт предельного по этим нормам падения мощность достигает на линии сечением 2.5 кв.мм длиной в 30 метров. Много это или мало, конечно, решать Вам, и решение тут зависит от конкретной ситуации, но практика показывает, что увеличение сечения кабеля с 2.5 кв.мм до, например, 4 кв.мм существенно не повысит стоимость инсталляции. Поэтому я всегда рекомендую укладываться в 0,5 дБ, ведь это совершенно не трудно сделать. Да и зачем нам терять на линии драгоценные Ватты, когда мы имеем возможность добиться максимальной эффективности системы?

И, несмотря на то, что к трансляционным линиям требования существенно ниже, использование правильного кабеля поможет Вам заставить систему работать эффективнее. Более того, если в Вашей практике Вы не проводили экспериментов по оценке качества звука на разных кабелях (при прочих равных), то поверьте мне на слово, влияние сечения кабеля на звучание действительно заметно на слух. Особенно это касается низкочастотной области - диапазона, при передаче которого развивается наибольшая мощность, и который наиболее требователен к току и демпинг-фактору.

Поэтому, используя так любимую многими аналогию, давайте не будем заливать в Мерседес S-класса 92-ой бензин, а потом удивляться, почему не достигается заявленная производительность.

Как можно заметить по формулам, единственная величина, которая остается неизвестной для расчета кабеля - это его сопротивление, выраженное в Ом/км. Его значение можно найти в спецификации к кабелю. Для этого придется сначала выбрать сечение кабеля навскидку, взять соответствующее значение сопротивления, подставить в формулу и провести расчет. В случае, если Вы получите превышение падения мощности, или наоборот, сечение окажется избыточным, то придется выбрать кабель другого сечения и вернуться к исходной точке расчета. Начинать расчет я обычно рекомендую с сечения 2х2.5 кв.мм (7,5-8 Ом/км) для низкоомных линий и 2х1.5 кв.мм (около 13 Ом/км) для трансформаторных линий. Конечно, это заставит Вас потратить некоторое время на расчет, но для удобства Вы можете создать себе калькулятор в Excel, внеся туда формулы и значения сопротивлений кабелей разного сечения - это займет некоторое время разово, зато избавит от необходимости ручного расчета в дальнейшем.

Благодарим компанию DIGIS за предоставленные материалы

sound card ) - дополнительное оборудование персонального компьютера , позволяющее обрабатывать звук (выводить на акустические системы и/или записывать). На момент появления звуковые платы представляли собой отдельные карты расширения , устанавливаемые в соответствующий слот . В современных материнских платах представлены в виде интегрированного в материнскую плату аппаратного кодека (согласно спецификации Intel AC’97 или Intel HD Audio).

Взаимодействие человека с ЭВМ должно быть прежде всего взаимным (на то оно и общение). Взаимность, в свою очередь, предусматривает возможность общения как человека с ЭВМ, так и ЭВМ с человеком. Неоспоримый факт, что визуальная информация, дополненная звуковой, гораздо эффективнее простого зрительного воздействия. Попробуйте, заткнув уши, пообщаться с кем-нибудь хотя бы минуту, сомневаюсь, что вы получите большое удовольствие, равно как и ваш собеседник. Однако пока многие ортодоксально настроенные программисты/ проектировщики до сих пор не хотят признавать, что звуковое воздействие может играть роль не только сигнализатора, но информационного канала, и соответственно от неумения и/или нежелания не используют в своих проектах возможность невизуального общения человека с ЭВМ, но даже они никогда не смотрят телевизор без звука. В настоящее время любой крупный проект, не оснощенный средствами multimedia (в дальнейшем под словом "средства multimedia" мы будем прежде всего понимать совокупность аппаратно/программных средств, дополняющие традиционно визуальные способы взаимодействия человека с ЭВМ) обречен на провал.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОЗВУЧИВАНИЯ

Есть много способов заставить компьютер заговорить или заиграть.

1. Цифроаналоговое преобразование (Digital to Analogue (D/A) conversion). Любой звук (музыка или речь) содержаться в памяти компьютера в цифровом виде (в виде самплов) и с помощью DAC трансформируются в аналоговый сигнал, который подается на усиливающую аппаратуру, а затем на наушники, колонки, etc.

2. Синтез. Компьютер посылает в звуковую карту нотную информацию, а карта преобразует ее в аналоговый сигнал (музыку). Существует два способа синтеза:

а) Frequency Modulation (FM) synthesis , при котором звук воспроизводит специальный синтезатор, который оперирует математическим представлением звуковой волны (частота, амплитуда, etc) и из совокупности таких искусственных звуков создается практически любое необходимое звучание.

Большинство систем, оснащенных FM-синтезом показывают очень неплохие результаты на проигрывании "компьютерной" музыки, но попытка симулировать звучание живых инструментов не очень хорошо удается. Ущербность FM-синтеза состоит в том, что с его помощью очень сложно (практически невозможно) создать действительно реалистическую инструментальную музыку, с большим наличием высоких тонов (флейта, гитара, etc). Первой звуковой картой, которая стала использовать эту технологию, был легендарный Adlib, который для этой целей использовал чип из синтеза Yamaha YM3812FM. Большинство Adlib-совместимых карт (SoundBlaster, Pro Audio Spectrum) также используют эту технологию, только на других более современных типах микросхем, таких как Yamaha YMF262 (OPL-3) FM.

б) синтез по таблице волн (Wavetable synthesis), при этом методе синтеза заданный звук "набирается" не из синусов математических волн, а из набора реально озвученных инструментов - самплов. Самплы сохраняются в RAM или ROM звуковой карты. Специальный звуковой процессор выполняет операции над самлами (с помощью различного рода математических преобразований изменяется высота звука, тембр, звук дополняется спецэффектами).

Так как самплы - оцифровки реальных инструментов, они делают звук крайне реалистичным. До не давнего времени подобная техника использовалась только в hi-end инструментах, но она становится все более популярной теперь. Пример популярной карты, использующей WS Gravis Ultra Sound (GUS).

3. MIDI. Компьютер посылает на MIDI-интерфейс специальные коды, каждый из которых обозначает действие, которое должен произ вести MIDI-устройство (обычно это синтезатор) (General) MIDI - это основной стандарт большинства звуковых плат. Звуковая плата, самостоятельно интерпретирует, посылаемые коды и приводит им в соответствие звуковые самлы (или патчи), хранящиеся в памяти карты. Количество этих патчей в стандарте GM равно 128. На PC - совместимых компьютерах исторически сложились два MIDI-интерфейса: UART MIDI и MPU-401. Первый рализован в SoundBlaster"s картах, второй использовался в ранних моделях Roland.

ЗВУКОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СЕМЕЙСТВА IBM PC

Уже на самых первых моделях IBM PC имелся встроенный динамик, который однако не был предназначен для точного воспроизведения звука: он не обеспечивал воспроизведения всех частот слышимого диапазона и не имел средств управления громкостью звучания. И хотя PC speaker сохранился на всех клонах IBM до сего дня - это скорее дань традиции, чем жизненная необходимость, ибо динамик никогда не играл сколь-нибудь серьезной роли в общении человека с ЭВМ.

Однако, уже в модели PCjr появился специальный звуковой генератор TI SN76496A, который можно считать предвестником современных звуковых процессоров. Выход этого звукового генератора, мог быть подключен к стерео-усилителю, а сам он имел 4 голоса (не совсем корректное высказывание - на самом деле микросхема TI имела четыре независимых звуковых генератора, но с точки зрения программиста это была одна микросхема, имеющая четыре независимых канала). Все четыре голоса имели независимое управление громкостью и частотой звучания. Однако из-за маркетинговых ошибок модель PCjr так и не получила широкого распространения, была об"явлена неперспективной, снята с производства и поддержка ее была прекращена. С этого момента фирма IBM больше не оснащала свои компьютеры звуковыми средствами собственной разработки. И с этого момента место на рынке прочно заняли звуковые платы.

Звуковые Системы для IBM PC

ВВЕДЕНИЕ

Взаимодействие человека с ЭВМ должно быть прежде всего взаимным (на то оно и общение). Взаимность, в свою очередь, предусматривает возможность общения как человека с ЭВМ, так и ЭВМ с человеком. Неоспоримый факт, что визуальная информация, дополненная звуковой, гораздо эффективнее простого зрительного воздействия. Попробуйте, заткнув уши, пообщаться с кем-нибудь хотя бы минуту, сомневаюсь, что вы получите большое удовольствие, равно как и ваш собеседник. Однако пока многие ортодоксально настроенные программисты/ проектировщики до сих пор не хотят признавать, что звуковое воздействие может играть роль не только сигнализатора, но информационного канала, и соответственно от неумения и/или нежелания не используют в своих проектах возможность невизуального общения человека с ЭВМ, но даже они никогда не смотрят телевизор без звука. В настоящее время любой крупный проект, не оснощенный средствами multimedia (в дальнейшем под словом "средства multimedia" мы будем прежде всего понимать совокупность аппаратно/программных средств, дополняющие традиционно визуальные способы взаимодействия человека с ЭВМ) обречен на провал.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОЗВУЧИВАНИЯ

Есть много способов заставить компьютер заговорить или заиграть.

1. Цифроаналоговое преобразование (Digital to Analogue (D/A) conversion). Любой звук (музыка или речь) содержаться в памяти компьютера в цифровом виде (в виде самплов) и с помощью DAC трансформируются в аналоговый сигнал, который подается на усиливающую аппаратуру, а затем на наушники, колонки, etc.

2. Синтез. Компьютер посылает в звуковую карту нотную информацию, а карта преобразует ее в аналоговый сигнал (музыку). Существует два способа синтеза:

а) Frequency Modulation (FM) synthesis , при котором звук воспроизводит специальный синтезатор, который оперирует математическим представлением звуковой волны (частота, амплитуда, etc) и из совокупности таких искусственных звуков создается практически любое необходимое звучание.

Большинство систем, оснащенных FM-синтезом показывают очень неплохие результаты на проигрывании "компьютерной" музыки, но попытка симулировать звучание живых инструментов не очень хорошо удается. Ущербность FM-синтеза состоит в том, что с его помощью очень сложно (практически невозможно) создать действительно реалистическую инструментальную музыку, с большим наличием высоких тонов (флейта, гитара, etc). Первой звуковой картой, которая стала использовать эту технологию, был легендарный Adlib, который для этой целей использовал чип из синтеза Yamaha YM3812FM. Большинство Adlib-совместимых карт (SoundBlaster, Pro Audio Spectrum) также используют эту технологию, только на других более современных типах микросхем, таких как Yamaha YMF262 (OPL-3) FM.

б) синтез по таблице волн (Wavetable synthesis), при этом методе синтеза заданный звук "набирается" не из синусов математических волн, а из набора реально озвученных инструментов - самплов. Самплы сохраняются в RAM или ROM звуковой карты. Специальный звуковой процессор выполняет операции над самлами (с помощью различного рода математических преобразований изменяется высота звука, тембр, звук дополняется спецэффектами).

Так как самплы - оцифровки реальных инструментов, они делают звук крайне реалистичным. До не давнего времени подобная техника использовалась только в hi-end инструментах, но она становится все более популярной теперь. Пример популярной карты, использующей WS Gravis Ultra Sound (GUS).

3. MIDI. Компьютер посылает на MIDI-интерфейс специальные коды, каждый из которых обозначает действие, которое должен произ вести MIDI-устройство (обычно это синтезатор) (General) MIDI - это основной стандарт большинства звуковых плат. Звуковая плата, самостоятельно интерпретирует, посылаемые коды и приводит им в соответствие звуковые самлы (или патчи), хранящиеся в памяти карты. Количество этих патчей в стандарте GM равно 128. На PC - совместимых компьютерах исторически сложились два MIDI-интерфейса: UART MIDI и MPU-401. Первый рализован в SoundBlaster"s картах, второй использовался в ранних моделях Roland.

ЗВУКОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СЕМЕЙСТВА IBM PC

Уже на самых первых моделях IBM PC имелся встроенный динамик, который однако не был предназначен для точного воспроизведения звука: он не обеспечивал воспроизведения всех частот слышимого диапазона и не имел средств управления громкостью звучания. И хотя PC speaker сохранился на всех клонах IBM до сего дня - это скорее дань традиции, чем жизненная необходимость, ибо динамик никогда не играл сколь-нибудь серьезной роли в общении человека с ЭВМ.

Однако, уже в модели PCjr появился специальный звуковой генератор TI SN76496A, который можно считать предвестником современных звуковых процессоров. Выход этого звукового генератора, мог быть подключен к стерео-усилителю, а сам он имел 4 голоса (не совсем корректное высказывание - на самом деле микросхема TI имела четыре независимых звуковых генератора, но с точки зрения программиста это была одна микросхема, имеющая четыре независимых канала). Все четыре голоса имели независимое управление громкостью и частотой звучания. Однако из-за маркетинговых ошибок модель PCjr так и не получила широкого распространения, была об"явлена неперспективной, снята с производства и поддержка ее была прекращена. С этого момента фирма IBM больше не оснащала свои компьютеры звуковыми средствами собственной разработки. И с этого момента место на рынке прочно заняли звуковые платы.

ОБЗОР ЗВУКОВЫХ КАРТ

Своеобразный "внебрачный сын" PC и желания человека услышать приличный звук с минимумом финансовых затрат. Covox недаром называют "SoundBlaster для бедных" ибо стоимость его на порядок ниже самой дешевой звуковой карты. Суть Covox"a крайне проста - на любой стандартной IBM-совместимой машине обяза тельно присутствует параллельный порт (обычно он используется под принтер). На этот порт можно посылать 8-ми битовые коды, которые после простого смешивания на выходе дадут вполне удовлетворительное mono звучание.

К сожалению из-за того, что основные производители программного обеспечения игнорировали это простое и остроумное устройство (сговор с производителями звуковых карт), то никакой программной поддержки covox так и не получил. Однако, не составляет труда самостоятельно написать драйвер для covox"a и заменить им драйвер любой 8-ми битовой звуковой карты, которая используется в DAC-режиме, или немного изменить код программы, перенаправив 8-ми битовую оцифровку, скажем в 61-ый порт ППИ.

The SoundBlaster Pro (SB-pro) The Creative Labs" SoundBlaster (SB) была первой Adlib-совместимой звуковой картой, которая могла записывать и играть 8-ми битовые самплы, поддерживала FM-синтез с помощь микросхемы Yamaha YM3812. Оригинальная mono-модель SB была оснащена одной такой микросхемой, а более новая стерео-модель - двумя. Наиболее продвинутая модель из этого семейства SB-pro. 2.0, эта карта содержит наиболее современную микросхему FM-синтеза (стандарт OPL-3). SB-pro способен производить оцифровку/проигрывание реального звука с частотой до 44.1 Hz (частота CD-проигрывателей) в стерео режиме. Также с помощь внешних драйверов эта карта поддерживает General MIDI интерфейс. Содержит встренный 2-х ватный предусилитель и контроллер CDD (обычно Matsushita).

External line in.

SB compatible MIDI,

SB CD-ROM interface.

SB-pro была полностью совместима с Adlib-картой, что обеспечила ей потрясающей успех на рынке недорогих домашних звуковых систем (прежде всего это касалось игр). И хотя профессионалы были недовольны неестественным "металлическим" звуком, да и симуляция MIDI оставляла желать лучшего, но эта карта пришлась по вкусу многочисленным поклонникам компьютерных игр, которые стимулировали разработчиков вставлять в свои игры поддержку SundBlaster-карт, чем окончательно закрепили лидерство Creative Labs на рынке. И теперь любая программа, которая претендует на то, что бы издавать звук на чем-то отличным от PC-speaker просто обязана поддерживать, ставшим de-facto стандартом SB. В противном случае она рискуeт быть просто не замеченной.

SoundBlaster 16 (SB 16) это улучшенная версия SB-pro, котoрая способна записывать и воспроизводить 16-и битовый стерео-звук. И конечно SB16 полностью совместима с Adkib & SB. SB-16 способна проигрывать 8-и и 16-и битовые стерео самплы на частоте до 44.1 KHz с динамической фильтрацией звука (эта карта позволяет в процессе проигрывания подавить нежелательный диапазон частот). SB16 также может быть оснащен специальной микросхемой ASP (Advanced (Digital) Signal Processor), который может осуществляю компрессию/ декомпрессию звука "на лету", разгружая тем самым CPU для выполнения других задач. Подобно SB-pro SB-16 осуществляет FM-синтез с помощью микросхемы Yamaha YMF262 (OPL-3). Также возможно дополнительно установить специальную плату расширения WaveBlaster, который обеспечивает более качественное звучание в режиме General MIDI.

Pro Audio Spectrum Plus and Pro Audio Spectrum 16 The Media Vision"s

Pro Audio Spectrum Plus и -16 (PAS+ and PAS-16), это одна из многих попыток пополнить семейство SB-подобных карт. Обе карты почти идентичны, исключая то, что PAS-16 поддерживает 16-и битовый самплинг. Обе карты способны доводить частоту проигрывания до 44.1 KHz, динамически фильтровать звуковой поток. Подобно SB-pro и SB-16, PAS осуществляет FM-синтез через микросхему Yamaha YMF262 (OPL-3)

Поддерживаемые входные устройства:

External line in.

PC speaker (wow !).

Поддерживаемые выходные устройства:

Audio line out (headphones, amplifier),

SCSI (not just for CD-ROM, but also for tape-streamers,

optical drives, etc),

General MIDI (requires optional MIDI Mate),

Несмотря на то, что Media Vision утверждает, что ее изделия полностью совместимы со стандартом SB, однако это не совсем так и многие люди получали неприятные неожиданности от этой карты, когда пытались использовать ее как SB. Однако, это некоторым образом компенсируется великолепным стерео-звучанием и очень низким уровнем шумов.

The Gravis UltraSound

The Advanced Gravis"

Gravis UltraSound (GUS) это несомненный лидер в области WS-синтеза. Стандартный GUS имеет "на борту" 256 или 512 килобайт памяти для хранения самплов (называемых так же патчами), с помощью проигрывания которых GUS и генерирует все звуковые эффекты и музыку. GUS может работать на частоте самплирования до 44.1 KHz и может осуществлять 16-и битовое стерео-звучание. С записью несколько сложнее - первоначально стандартные модели GUS осуществляли только 8-и битовую запись звука, но новые модели (GUS MAX) способны осуществлять и 16-и битовую запись. В целом звук, воспроизводимый GUS"ем является более реалистичным (из-за использования WS-синтеза, вместо FM), ну и разумеется GUS обеспечивает великолепную поддержку General MIDI из-за того, что ему нет необходимости "конструировать" все разнообразие звуков из набора синусообразных волн, - в его распоряжении находится специальная библиотека размером около 6M, инструменты из которой он может загружать в процессе воспроизведения.

Поддерживаемые входные устройства:

Audio Line In.

Поддерживаемые выходные устройства:

Audio Line Out,

Amplified Audio Out,

Speed compensating joystick (up to 50 Mhz),

General MIDI (requires optional MIDI adapter),

SCSI CD-ROM (requires optional SCSI interface card).

GUS не является SB-совместимой картой и не поддерживает стандарта SB или Adlib. Некоторая совместимось, однако может быть достигнута путем программной эмуляции с помощью специальных драйверов SBOS (Sound Board Operating System), поставляемых вместе с GUS"ем. Однако на практике, удовлетворительная работа SBOS явление скорее случайное, чем закономерное. Кроме того SBOS значительно замедляет работу процессора, что делает практически непригодным GUS для работы multimedia приложения, написанных исключительно для SB. Все же исключительные звуковые качества GUS"я заставили производителей программного обеспечения включать драйверы для этой карты в свои изделия. И хотя поддержка стандарта GUS еще не стало таким-же обычным делом, как и поддержа стандарта SB, но не вызывает никакого сомнения, что второй по значимости после SB является карта GUS.

Проблемы продвижения GUS на современный игровой рынок затруднено тем, что в настоящее время 45% игр пишется на Miles Design AIL 2.0 - 3.15, 50% на HMI SOS 3.0 - 4.0, остальные 5% на самопальных звуковых библиотеках. Как следует поддерживать GUS научилась только AIL 3.15 и то только почти. До этого (AIL 3.0-, HMI 4.0-) перед загрузкой игры запускалась LOADPATS.EXE или что-то подобное (MEGAEM...), которая грузит все (!!!) тембры, которые использует данная игра (а всего в стандартной 512-и килобайтной памяти GUS"я помещается 30-50 тембров), в AIL 3.15 чуть-чуть гуманнее - тембры грузятся по мере надобности (почти) но не выгружаются(!!), таким образом ситуция сводится к предыдущей. Я уж молчу, что оригинальные тембры используют редкие единицы фирм производителей и очень хорошо понимаю остальных - ради одного GUS"а покупать тембры и "перетягивать" музыку нет смысла. Hе говоря уже о проблемах производителей с созданием музыки под стандартные тембры и придумывании, как бы их запихнуть в 512/256K.

The Roland LAPC-1 and SCC-1

The Roland LAPC-1 это полупрофессиональная звуковая карта, базирующаяся на Roland MT-32Module. LAPC тождественнен MIDI-интерфейсу на PC-картах. Он содержит 128 инструментов. LAPC-1 использует комбинированный способ построения звучания ноты: каждая нота состоит из 4 "partials", каждый из которых может быть самплом или простой звуковой волной. Общее число partials"ов ограниченно 32"я, следовательно одновременно может играть всего 8 инструментов,также присутствует 9-ый канал для перкуссии. Помимо 128-и инструментов LAOC-1 содержит 30 перкуссионных звуков и 33 звуковых эффекта. The SCC-1 это дальнейшее развитие LAPC-1. Подобно LAPC-1 он содержит MPU-MIDI интерфейс, но в в свою очередь является полноценным WS-синтез картой. Он содержит 317 самплов (патчей), зашитых во внутреннюю память ROM. Патч может состоять из 24 partials"ов, но большинство патчей состоят из одного partials"a. Одновременно может быть проигранно 15 инструментов и одна перкуссия. Хотя возможность изменения внутренних самплов отсутствует, это в какой-то мере компенсируется наличием двух звуковых эффектов: hall и echo. Одним из самых серьезных недостатков карт семейства Roland является то, что ни одна из них не оснащена DAC/ADC, и не содержит контроллера CD-ROM, что делает невозможным ее применение в системах multimedia, удовлетворяющих стандарту MPC.

Качество звучания LAPC-1 очень высоко. Некоторые патчи (подобно пианино или свирели) превосходят по качеству аналогичные инструменты GUS"я. Качество воспроизводимых звуковых эффектов также очень высоко. Качество звука SCC-1 можно признать просто выдающимся. Что заставляет признать карты Roland одними из лучших для создания профессиональной инструментальной музыки, однако они полностью непригодны для эксплуатации их в системах multimedia. Кроме того карты Roland не обладают совместимостью ни с одним современным звуковым стандартом.

Другие карты

Adlib и SB совместимая карта с SCSI и MIDI-интерфейсом.

Базируется на микросхеме Yamaha OPL-3 FM. 20 каналов.

Улучшенное качество звука по сравнению с оригинальным Adlib"ом.

12-и битовый самплинг и игра на частоте до 44.1 KHz.

Подобно Adlib Gold 1000, но осуществляет 16-и битовый самплинг.

Базируется на микросхеме Yamaha YMF3812 FM. 11 каналов.

8-ми битовое моно звучание на частоте до 22 KHz. Совместима со стандартом SB. Содержит MIDI-интерфейс.

Adlib и SB совместимая карта, базирующаяся на микросхеме Yamaha YM3812FM. 11 каналов. 8-ми битовое стерео звучание на частоте до 44.1 KHz. Содержит MIDI-интерфейс.

Turtle Beach MultiSound

Базируется на микросхеме Motorola 56001 DSP. Содержит 384 16-ти битовых самплов. 15 каналов. Спецэффекты. Стерео звучание на частоте до 44.1 KHz. Не совместима ни с каким другим стандартом.

AudioBahn 16 from Genoa Systems

Базируется на микросхеме Arial from Sierra semiconductor.

Adlib и SB совместимая карта c SCSI и MIDI-интерфейсом. Содер жит 1M самплов в ROM. 32 канала. 16-ти битовое стерео звучание на частоте до 44.1 KHz.

ТХХ ЗВУКОВЫХ ПЛАТ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Перед тем как перейти к следующему разделу, который затрагивает практические вопросы приобретения звуковой платы, необходимо оговорить ряд терминов:

Частотная характеристика (FrequencyResponse)

Показывает насколько хорошо звуковая система воспроизводит звук во всем частотном диапазоне. Идеальное устройство должно одинаково передавать все частоты от 20 до 20000 Гц. И хотя на практике на частотах выше 18000 и ниже 100 может наблюдаться снижение характеристики на величину -2дБ из-за наличия фильтра высоких/низких частот, однако считается что отклонение ниже -3дБ недопустимо.

Отношение сигнал/шум (S/N Ratio)

Представляет собой отношение значений (в дБ) неискаженного максимального сигнала платы к уровню шумов электроники, возникающих вы собственных электрических схемах платы. Так как человек воспринимает шум на разных частотах по-разному, была разработана стандартная сетка А-взвешивания, которая учитывает раздражающий уровень шума. Это число обычно и имеется ввиду, когда говорят о S/N Ratio. Чем это соотношение выше, тем звуковая система качественнее. Снижение этого параметра до 75 дБ недопустимо.

Шумы квантования

Остаточные шумы, характерные для цифровых устройств, которые возникают из-за неидеального преобразования сигнала из аналоговой в цифровую форму. Этот шум может быть измерен только в присутствии сигнала и показывается как уровень (в дБ) относительно максимально допустимого выходного сигнала. Чем меньше этот уровень, тем качество звука выше.

Суммарные нелинейные искажения (total harmonic distortion + noise) Отражает влияние искажений, вносимых аппаратурой усиления звука и шумов, генерируемых самой платой. Он измеряется в процентах от уровня неискаженного выходного сигнала. Устройство с уровнем помех более 0.1% не может считаться качественным.

Разделение каналов

Просто число, показывающее до какой степени левый и правый каналы остаются взаимно независимыми. В идеале разделение каналов должно быть полным (абсолютный стереоэффект), однако на практике наблюдается проникновение сигналов из одного канала в другой. На качественном stereo-device разделение каналов не должно быть меньше 50 дБ.

Динамический диапазон

Выраженная в дБ разность между max и min сигналом, которая плата может пропустить. Обычно динамический диапазон измеряется на частоте 1Khz. В идеальной цифровой аудиосистеме динамический диапазон должен быть близок к 98дБ.

Интермодуляционные искажения

Потенциальное усиление

Максимальный коэффициент усиления, обеспечиваемый предусилителем звуковой платы. Желательно иметь высокое потенциальное усиление при низком входном напряжении. Низким считается напряжение в 0.2В, которое соответствует типичному выходному сигналу бытового магнитофона.

КАКУЮ ПЛАТУ ВЫБРАТЬ?

Как можно было увидеть выше в данный момент на рынок выброшено просто огромное число звуковых систем для персональных компьютеров. Следовательно выбор звуковой платы становиться делом нелегким, ведь каждая из них имеет свои достоинства и недостатки, и не существует абсолютных фаворитов, как и абсолютных аутсайдеров. И все же возьмем на себя смелость, в заключение, дать несколько советов тем, кто собрался оснастить свой компьютер современной звуковой системой.

1. В любом случае следует остановить свой выбор на 16-и битовой звуковой плате, которая поддерживает частоту дискретизации не менее 44Khz. Это даст вам потенциальную возможность слушать звук с качеством CD-диска.

2. Если вы собираетесь оснастить свой компьютер накопителем CD-ROM, то желательно что бы выбранная вами звуковая карта уже несла на себе контроллер CD-ROM"a, выбранной вами конструкции.

для IBM PC

ВВЕДЕНИЕ

Взаимодействие человека с ЭВМ должно быть прежде всего взаимным (на то оно и общение). Взаимность, в свою очередь, предусматривает возможность общения как человека с ЭВМ, так и ЭВМ с человеком. Неоспоримый факт, что визуальная информация, дополненная звуковой, гораздо эффективнее простого зрительного воздействия. Попробуйте, заткнув уши, пообщаться с кем-нибудь хотя бы минуту, сомневаюсь, что вы получите большое удовольствие, равно как и ваш собеседник. Однако пока многие ортодоксально настроенныепрограммисты/проектировщики до сих пор не хотят признавать, что звуковое воздействие может играть роль не только сигнализатора, но информационного канала, и соответственно от неумения и/или нежелания не используют в своих проектах возможность невизуального общения человека с ЭВМ, но даже они никогда не смотрят телевизор без звука. В настоящее время любой крупный проект, не оснощенный средствами multimedia (в дальнейшем под словом "средства multimedia" мы будем прежде всего понимать совокупность аппаратно/программных средств, дополняющие традиционно визуальные способы взаимодействия человека с ЭВМ) обречен на провал.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОЗВУЧИВАНИЯ

Есть много способов заставить компьютер заговорить или заиграть.

1. Цифроаналоговое преобразование (Digital to Analogue (D/A)conversion). Любой звук (музыка или речь) содержаться в памяти компьютера в цифровом виде (в виде самплов) и с помощью DAC трансформируются в аналоговый сигнал, который подается на усиливающую аппаратуру, а затем на наушники, колонки, etc.

2. Синтез. Компьютер посылает в звуковую карту нотную информацию,а карта преобразует ее в аналоговый сигнал (музыку). Существует два способа синтеза:

а) Frequency Modulation (FM) synthesis , при котором звук воспроизводит специальный синтезатор, который оперирует математическим представлением звуковой волны (частота, амплитуда, etc) и из совокупности таких искусственных звуков создается практически любое необходимое звучание.

Большинство систем, оснащенных FM-синтезом показывают очень неплохие результаты на проигрывании "компьютерной" музыки, но попытка симулировать звучание живых инструментов неочень хорошо удается. Ущербность FM-синтеза состоит в том,что с его помощью очень сложно (практическиневозможно) создать действительно реалистическую инструментальную музыку, с большим наличием высоких тонов (флейта, гитара, etc). Первой звуковой картой, которая стала использовать эту технологию, был легендарный Adlib, которыйдля этой целей использовал чип из синтеза YamahaYM3812FM. Большинство Adlib-совместимых карт (SoundBlaster,Pro Audio Spectrum) также используют эту технологию, толькона других более современных типах микросхем, таких какYamaha YMF262 (OPL-3) FM.

б) синтез по таблице волн (Wavetable synthesis), при этомметоде синтеза заданный звук "набирается" не из синусов математических волн, а из набора реально озвученных инструментов - самплов. Самплы сохраняются в RAM или ROM звуковой карты. Специальный звуковой процессор выполняет операции над самлами (спомощью различного рода математическихпреобразований изменяется высота звука, тембр, звук дополняется спецэффектами).

Так как самплы - оцифровки реальныхинструментов, они делают звук крайне реалистичным. До не давнего времени подобная техника использовалась только вhi-end инструментах, но она становится все более популярной теперь. Пример популярной карты, использующей WSGravis Ultra Sound (GUS).

3. MIDI. Компьютер посылает на MIDI-интерфейс специальные коды,каждый из которых обозначает действие, которое должен произ вести MIDI-устройство (обычно это синтезатор) (General) MIDI- это основной стандарт большинства звуковых плат. Звуковаяплата, самостоятельно интерпретирует, посылаемые коды и приводит им в соответствие звуковые самлы (или патчи), хранящиеся в памяти карты. Количество этих патчей в стандарте GM равно 128. На PC - совместимых компьютерах исторически сложилисьдва MIDI-интерфейса: UART MIDI и MPU-401. Первый рализован вSoundBlaster"s картах, второй использовался в ранних моделяхRoland.

ЗВУКОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СЕМЕЙСТВА IBM PC

Уже на самых первых моделях IBM PC имелся встроенный динамик, который однако не был предназначен для точного воспроизведения звука: он не обеспечивал воспроизведения всех частот слышимого диапазона и не имел средств управления громкостью звучания. И хотя PC speaker сохранился на всех клонах IBM до сего дня - это скорее дань традиции, чем жизненная необходимость, ибо динамик никогда не играл сколь-нибудь серьезной роли в общении человека с ЭВМ.

Однако, уже в модели PCjr появился специальный звуковой генератор TI SN76496A, который можно считать предвестником современных звуковых процессоров. Выход этого звукового генератора, мог быть подключен к стерео-усилителю, а сам он имел 4 голоса (не совсем корректное высказывание - на самом деле микросхема TI имела четыре независимых звуковых генератора, но с точки зрения программиста это была одна микросхема, имеющая четыре независимых канала). Все четыре голоса имели независимое управление громкостью и частотой звучания. Однако из-за маркетинговых ошибок модель PCjr так и не получила широкого распространения, была об"явлена неперспективной, снята с производства и поддержка ее была прекращена. С этого момента фирма IBM больше не оснащала свои компьютеры звуковыми средствами собственной разработки. И с этого момента место на рынке прочно заняли звуковые платы.

ОБЗОР ЗВУКОВЫХ КАРТ

Своеобразный "внебрачный сын" PC и желания человека услышатьприличный звук с минимумом финансовых затрат. Covox недаромназывают "SoundBlaster для бедных" ибо стоимость его на порядок ниже самой дешевой звуковой карты. Суть Covox"a крайнепроста - на любой стандартной IBM-совместимой машине обяза тельно присутствует параллельный порт (обычно он используется под принтер). На этот порт можно посылать 8-ми битовые коды, которые после простого смешивания на выходе дадут вполнеудовлетворительное mono звучание.

К сожалению из-за того, что основные производители программного обеспечения игнорировали это простое и остроумное устройство (сговор с производителями звуковых карт), то никакойпрограммной поддержки covox так и не получил. Однако, не составляет труда самостоятельно написать драйвер для covox"a и заменить им драйвер любой 8-ми битовой звуковой карты, котораяиспользуется в DAC-режиме, или немного изменить код программы,перенаправив 8-ми битовую оцифровку, скажем в 61-ый порт ППИ.

The SoundBlaster Pro (SB-pro) The Creative Labs" SoundBlaster (SB) была первой Adlib-совместимой звуковой картой, которая могла записывать и играть 8-ми битовые самплы, поддерживала FM-синтез с помощь микросхемы Yamaha YM3812. Оригинальная mono-модель SB была оснащена одной такой микросхемой, а более новая стерео-модель - двумя. Наиболее продвинутая модель из этого семейства SB-pro. 2.0, эта карта содержит наиболее современную микросхему FM-синтеза (стандарт OPL-3). SB-pro способен производить оцифровку/проигрывание реального звука с частотой до 44.1 Hz (частота CD-проигрывателей) в стерео режиме. Также с помощь внешних драйверов эта карта поддерживает General MIDI интерфейс. Содержит встренный 2-х ватный предусилитель и контроллер CDD (обычно Matsushita).

External line in.

SB compatible MIDI,

SB CD-ROM interface.

SB-pro была полностью совместима с Adlib-картой, что обеспечила ей потрясающей успех на рынке недорогих домашних звуковых систем (прежде всего это касалось игр). И хотя профессионалы были недовольны неестественным "металлическим" звуком, да и симуляция MIDI оставляла желать лучшего, но эта карта пришлась по вкусу многочисленным поклонникам компьютерных игр, которые стимулировали разработчиков вставлять в свои игры поддержку SundBlaster-карт, чем окончательно закрепили лидерство Creative Labs на рынке. И теперь любая программа, которая претендует на то, что бы издавать звук на чем-то отличным от PC-speaker просто обязана поддерживать, ставшим de-facto стандартом SB. В противном случае она рискуeт быть просто не замеченной.

SoundBlaster 16 (SB 16) это улучшенная версия SB-pro,котoрая способна записывать и воспроизводить 16-и битовый стерео-звук. И конечно SB16 полностью совместима с Adkib & SB. SB-16 способна проигрывать 8-и и 16-и битовые стерео самплы на частоте до 44.1 KHz с динамической фильтрацией звука (эта карта позволяет в процессе проигрывания подавить нежелательный диапазон частот). SB16 также может быть оснащен специальной микросхемой ASP (Advanced (Digital) Signal Processor), который может осуществляю компрессию/ декомпрессию звука "на лету", разгружая тем самым CPU для выполнения других задач. Подобно SB-pro SB-16 осуществляет FM-синтез с помощью микросхемы Yamaha YMF262 (OPL-3). Также возможно дополнительно установить специальную плату расширения WaveBlaster, который обеспечивает более качественное звучание в режиме General MIDI.

Pro Audio Spectrum Plus and Pro Audio Spectrum 16 The Media Vision"s

Pro Audio Spectrum Plus и -16 (PAS+ and PAS-16), это одна из многих попыток пополнить семейство SB-подобных карт. Обе карты почти идентичны, исключая то, что PAS-16 поддерживает 16-и битовый самплинг. Обе карты способны доводить частоту проигрывания до 44.1 KHz, динамически фильтровать звуковой поток. Подобно SB-pro и SB-16, PAS осуществляет FM-синтез через микросхему Yamaha YMF262 (OPL-3)

Поддерживаемые входные устройства:

External line in.

PC speaker (wow !).

Поддерживаемые выходные устройства:

Audio line out (headphones, amplifier),

SCSI (not just for CD-ROM, but also for tape-streamers,

optical drives, etc),

General MIDI (requires optional MIDI Mate),

Несмотря на то, что Media Vision утверждает, что ее изделия полностью совместимы со стандартом SB, однако это не совсем так и многие люди получали неприятные неожиданности от этой карты, когда пытались использовать ее как SB. Однако, это некоторым образом компенсируется великолепным стерео-звучанием и очень низким уровнем шумов.

The Gravis UltraSound

The Advanced Gravis"

Gravis UltraSound (GUS) это несомненный лидер в области WS-синтеза. Стандартный GUS имеет "на борту" 256 или 512 килобайт памяти для хранения самплов (называемых так же патчами), с помощью проигрывания которых GUS и генерирует все звуковые эффекты и музыку. GUS может работать на частоте самплирования до 44.1 KHz и может осуществлять 16-и битовое стерео-звучание. С записью несколько сложнее - первоначально стандартные модели GUS осуществляли только 8-и битовую запись звука, но новые модели (GUS MAX) способны осуществлять и 16-и битовую запись. В целом звук, воспроизводимый GUS"ем является более реалистичным (из-за использования WS-синтеза, вместо FM), ну и разумеется GUS обеспечивает великолепную поддержку General MIDI из-за того, что ему нет необходимости "конструировать" все разнообразие звуков из набора синусообразных волн, - в его распоряжении находится специальная библиотека размером около 6M, инструменты из которой он может загружать в процессе воспроизведения.

Поддерживаемые входные устройства:

Audio Line In.

Поддерживаемые выходные устройства:

Audio Line Out,

Amplified Audio Out,

Speed compensating joystick (up to 50 Mhz),

General MIDI (requires optional MIDI adapter),

SCSI CD-ROM (requires optional SCSI interface card).

GUS не является SB-совместимой картой и не поддерживает стандарта SB или Adlib. Некоторая совместимось, однако может быть достигнута путем программной эмуляции с помощью специальных драйверов SBOS (Sound Board Operating System), поставляемых вместе с GUS"ем. Однако на практике, удовлетворительная работа SBOS явление скорее случайное, чем закономерное. Кроме того SBOS значительно замедляет работу процессора, что делает практически непригодным GUS для работы multimedia приложения, написанных исключительно для SB. Все же исключительные звуковые качества GUS"я заставили производителей программного обеспечения включать драйверы для этой карты в свои изделия. И хотя поддержка стандарта GUS еще не стало таким-же обычным делом, как и поддержа стандарта SB, но не вызывает никакого сомнения, что второй по значимости после SB является карта GUS.

Проблемы продвижения GUS на современный игровой рынок затруднено тем, что в настоящее время 45% игр пишется на Miles Design AIL 2.0 - 3.15, 50% на HMI SOS 3.0 - 4.0, остальные 5% на самопальных звуковых библиотеках. Как следует поддерживать GUS научилась только AIL 3.15 и то только почти. До этого (AIL 3.0-, HMI 4.0-) перед загрузкой игры запускалась LOADPATS.EXE или что-то подобное (MEGAEM...), которая грузит все (!!!) тембры, которые использует данная игра (а всего в стандартной 512-и килобайтной памяти GUS"я помещается 30-50 тембров), в AIL 3.15 чуть-чуть гуманнее - тембры грузятся по мере надобности (почти) но не выгружаются(!!), таким образом ситуция сводится к предыдущей. Я уж молчу, что оригинальные тембры используют редкие единицы фирм производителей и очень хорошо понимаю остальных - ради одного GUS"а покупать тембры и "перетягивать" музыку нет смысла. Hе говоря уже о проблемах производителей с созданием музыки под стандартные тембры и придумывании, как бы их запихнуть в 512/256K.

The Roland LAPC-1 and SCC-1

The Roland LAPC-1 это полупрофессиональная звуковая карта, базирующаяся на Roland MT-32Module. LAPC тождественнен MIDI-интерфейсу на PC-картах. Он содержит 128 инструментов. LAPC-1 использует комбинированный способ построения звучания ноты: каждая нота состоит из 4 "partials", каждый из которых может быть самплом или простой звуковой волной. Общее число partials"ов ограниченно 32"я, следовательно одновременно может играть всего 8 инструментов,также присутствует 9-ый канал для перкуссии. Помимо 128-и инструментов LAOC-1 содержит 30 перкуссионных звуков и 33 звуковых эффекта. The SCC-1 это дальнейшее развитие LAPC-1. Подобно LAPC-1 он содержит MPU-MIDI интерфейс, но в в свою очередь является полноценным WS-синтез картой. Он содержит 317 самплов (патчей), зашитых во внутреннюю память ROM. Патч может состоять из 24 partials"ов, но большинство патчей состоят из одного partials"a. Одновременно может быть проигранно 15 инструментов и одна перкуссия. Хотя возможность изменения внутренних самплов отсутствует, это в какой-то мере компенсируется наличием двух звуковых эффектов: hall и echo. Одним из самых серьезных недостатков карт семейства Roland является то, что ни одна из них не оснащена DAC/ADC, и не содержит контроллера CD-ROM, что делает невозможным ее применение в системах multimedia, удовлетворяющих стандарту MPC.

Качество звучания LAPC-1 очень высоко. Некоторые патчи (подобно пианино или свирели) превосходят по качеству аналогичные инструменты GUS"я. Качество воспроизводимых звуковых эффектов также очень высоко. Качество звука SCC-1 можно признать просто выдающимся. Что заставляет признать карты Roland одними из лучших для создания профессиональной инструментальной музыки, однако они полностью непригодны для эксплуатации их в системах multimedia. Кроме того карты Roland не обладают совместимостью ни с одним современным звуковым стандартом.

Другие карты

Adlib и SB совместимая карта с SCSI и MIDI-интерфейсом.

Базируется на микросхеме Yamaha OPL-3 FM. 20 каналов.

Улучшенное качество звука по сравнению с оригинальным Adlib"ом.

12-и битовый самплинг и игра на частоте до 44.1 KHz.

Подобно Adlib Gold 1000, но осуществляет 16-и битовый самплинг.

Базируется на микросхеме Yamaha YMF3812 FM. 11 каналов.

8-ми битовое моно звучание на частоте до 22 KHz. Совместима состандартом SB. Содержит MIDI-интерфейс.

Adlib и SB совместимая карта, базирующаяся на микросхемеYamaha YM3812FM. 11 каналов. 8-ми битовое стерео звучание начастоте до 44.1 KHz. Содержит MIDI-интерфейс.

Turtle Beach MultiSound

Базируется на микросхеме Motorola 56001 DSP. Содержит 384 16-тибитовых самплов. 15 каналов. Спецэффекты. Стерео звучание начастоте до 44.1 KHz. Не совместима ни с каким другим стандартом.

AudioBahn 16 from Genoa Systems

Базируется на микросхеме Arial from Sierra semiconductor.

Adlib и SB совместимая карта c SCSI и MIDI-интерфейсом. Содер жит 1M самплов в ROM. 32 канала. 16-ти битовое стерео звучаниена частоте до 44.1 KHz.

ТХХ ЗВУКОВЫХ ПЛАТ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Перед тем как перейти к следующему разделу, который затрагивает практические вопросы приобретения звуковой платы, необходимо оговорить ряд терминов:

Частотная характеристика (FrequencyResponse)

Показывает насколько хорошо звуковая система воспроизводит звук во всем частотном диапазоне. Идеальное устройство должно одинаково передавать все частоты от 20 до 20000 Гц. И хотя на практике на частотах выше 18000 и ниже 100 может наблюдаться снижение характеристики на величину -2дБ из-за наличия фильтра высоких/низких частот, однако считается что отклонение ниже -3дБ недопустимо.

Отношение сигнал/шум (S/N Ratio)

Представляет собой отношение значений (в дБ) неискаженного максимального сигнала платы к уровню шумов электроники, возникающих вы собственных электрических схемах платы. Так как человек воспринимает шум на разных частотах по-разному, была разработана стандартная сетка А-взвешивания, которая учитывает раздражающий уровень шума. Это число обычно и имеется ввиду, когда говорят о S/N Ratio. Чем это соотношение выше, тем звуковая система качественнее. Снижение этого параметра до 75 дБ недопустимо.

Шумыквантования

Остаточные шумы, характерные для цифровых устройств, которые возникают из-за неидеального преобразования сигнала из аналоговой в цифровую форму. Этот шум может быть измерен только в присутствии сигнала и показывается как уровень (в дБ) относительно максимально допустимого выходного сигнала. Чем меньше этот уровень, тем качество звука выше.

Суммарные нелинейные искажения (total harmonic distortion + noise) Отражает влияние искажений, вносимых аппаратурой усиления звука и шумов, генерируемых самой платой. Он измеряется в процентах от уровня неискаженного выходного сигнала. Устройство с уровнем помех более 0.1% не может считаться качественным.

Разделение каналов

Просто число, показывающее до какой степени левый и правый каналы остаются взаимно независимыми. В идеале разделение каналов должно быть полным (абсолютный стереоэффект), однако на практике наблюдается проникновение сигналов из одного канала в другой. На качественном stereo-device разделение каналов не должно быть меньше 50 дБ.

Динамический диапазон

Выраженная в дБ разность между max и min сигналом, которая плата может пропустить. Обычно динамический диапазон измеряется на частоте 1Khz. В идеальной цифровой аудиосистеме динамический диапазон должен быть близок к 98дБ.

Интермодуляционные искажения

Потенциальное усиление

Максимальный коэффициент усиления, обеспечиваемый предусилителем звуковой платы. Желательно иметь высокое потенциальное усиление при низком входном напряжении. Низким считается напряжение в 0.2В, которое соответствует типичному выходному сигналу бытового магнитофона.

КАКУЮ ПЛАТУ ВЫБРАТЬ?

Как можно было увидеть выше в данный момент на рынок выброшено просто огромное число звуковых систем для персональных компьютеров. Следовательно выбор звуковой платы становиться делом нелегким, ведь каждая из них имеет свои достоинства и недостатки, и не существует абсолютных фаворитов, как и абсолютных аутсайдеров. И все же возьмем на себя смелость, в заключение, дать несколько советов тем, кто собрался оснастить свой компьютер современной звуковой системой.

1. В любом случае следует остановить свой выбор на 16-и битовойзвуковой плате, которая поддерживает частоту дискретизации неменее 44Khz. Это даст вам потенциальную возможность слушатьзвук с качеством CD-диска.

2. Если вы собираетесь оснастить свой компьютер накопителемCD-ROM, то желательно что бы выбранная вами звуковая картауже несла на себе контроллер CD-ROM"a, выбранной вами конструкции.

3. Ну и наконец следует определиться для каких целей вам необходима звуковая система, насколько высокие требования выпред"являете к звуковой карте и какой суммой денег вы можетепожертвовать. Все это заставляет разбить все множество звуковых плат на несколько классов. Внутри каждого класса звуко вые системы обладают примерно одинаковым качеством, что значительно облегчает выбор.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. P.Norton "Programmer"s guide to the IBM PC"- Microsoft Press 1985

2. Толковый словарь по вычислительным системам / под редакциейВ.Иллингуорта и др. - М, Машиностроение, 1989

3. PC Magazine/Russian edition, 07.95- SK Press, Moscow

4. Sound Card review by Jerry van Waardenberg- comp.sys.ibm.pc.soundcard