ЗВУК - волнообразно распространяющееся колебательное движение материальных частиц упругой среды, воспринимаемое органами слуха.

Человек воспринимает звук в пределах от 20 Гц до 20 КГц.

Верхняя граница зависит от возраста, слуха и других факторов.

Нижняя граница зависит от интенсивности звучания.

На видеохостинге YouTube видео для проверки границ слуха: https://www.youtube.com/watch?v=H-iCZElJ8m0

Звуковая волна – это некая сложная функция, зависимость амплитуды звуковой волны от времени.

Информация, содержащаяся в звуковой волне, определяется не параметрами среды, в которой распространяется упругая волна, а параметрами колебаний (амплитудой и частотами основного тона и гармоник).

Любая форма звукозаписи (механическая, магнитная, оптическая, лазерная) осуществляется на основе предварительного преобразования звуковой волны в переменный электрический ток с такими же параметрами колебаний (с помощью микрофона).

Аналоговый звук представляется в аппаратуре непрерывным электрическим сигналом.

Качество звучания зависит от точности воспроизведения формы колебаний, которую очень трудно сохранить.

До 1982 года, мир потреблял «музыкальные консервы» только с аналоговых носителей: виниловых грампластинок и магнитных лент.

Хорошие виниловые пластинки, проигрываемые на хорошей аппаратуре, давали превосходное качество звука, которое, увы, с каждым прослушиванием немного портились от механического износа при движении иглы по звуковой бороздке и от всепроникающей пыли.

Магнитофонам, для безупречного воспроизведения требовались прецизионные считывающие головки и большая скорость протяжки ленты. Со временем лента размагничивалась, магнитный слой осыпался.

Но главный недостаток аналоговой записи звука — неизбежные потери качества при копировании.

В соответствии с теорией математика Жана Батиста Фурье, звуковую волну можно представить в виде спектра входящих в нее частот.

Частотные составляющие спектра - это синусоидальные колебания (чистые тона), каждое из которых имеет свою собственную амплитуду и частоту.

Согласно теореме Котельникова любое, даже самое сложное по форме колебание (например, человеческий голос), можно однозначно и без потерь восстановить по его дискретным отсчётам, взятым с частотой, равной его удвоенной максимальной частоте.

Владимир Александрович Котельников (1908-2005) — выдающийся советский и российский учёный в области радиотехники, радиосвязи и радиоастрономии.

Замечание. Конечный по длительности сигнал имеет бесконечно широкий спектр. Поэтому при дискретизации конечного по длительности сигнала невозможно восстановление из отсчетов без потери качества.

Оцифровка звука – это фиксация амплитуды сигнала через определенные промежутки времени и регистрация полученных значений амплитуды в виде округленных цифровых значений.
Любой компьютер имеет в своем составе плату – аудиоадаптер (звуковую карту).

Звуковые платы включают: АЦП (аналогово-цифровой преобразователь), синтезатор, микшер,  ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), усилитель, MIDI интерфейс, порт для игровых манипуляторов.

Для записи цифрового звука АЦП производит:

• дискретизацию по времени непрерывного сигнала (определяет значение амплитуды сигнала с частотой необходимой для воссоздания его исходной формы = удвоенной максимальной частотой звуковой волны);

• квантование по уровням измеренных значений сигнала (определяет число фиксируемых значений (уровней, градаций) амплитуды сигнала);

• кодирование сигнала (запись в двоичной системе счисления).

Обратную операцию проделывает ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).

Битрейт (bit rate) — буквально, скорость прохождения битов информации.

Битрейт - эффективная скорость передачи информации по каналу (скорость передачи «полезной информации», помимо  служебной) выраженная килобитамив секунду (kilobit per second, kbps).

В форматах потокового видео и аудио, использующих сжатие c потерей качества, параметр «битрейт» выражает степень сжатия потока и, тем самым, определяет размер канала, для которого сжат поток данных.

Режимы сжатия потоковых данных:

• с постоянным битрейтом (Constant bitrate, CBR) - изначально задаётся необходимый битрейт, который не меняется на протяжении всего файла. Дает возможность довольно точно предсказать размер конечного файла, но не обеспечивает оптимального соотношения размер/качество музыкальных произведений, звучание которых динамично изменяется во времени.

• с переменным битрейтом (Variable bitrate, VBR) - кодек меняет значение битрейта исходя из уровня желаемого качества на основе психоакустической модели. Даёт наилучшее качество выходного файла, однако его размер оказывается непредсказуем (может отличаться в несколько раз).

• с усреднённым битрейтом (Average bitrate, ABR) - гибридом постоянного и переменного битрейтов: битрейт в кбит/c задаётся пользователем, а программа варьирует его в некоторых пределах.

Оцифрованный звуковой сигнал имеет следующие достоинства:

• возможность бесконечно долгого хранения без потери  исходного качества,

• возможность сколь угодно долгого воспроизведения без потери  исходного качества,

• возможность бесконечного тиражирования без потери исходного качества,

• простота и широкие возможности обработки современными средствами,

• устойчивость к помехам в линиях передачи сигнала.

CD (Compact Disk) - тип сменного пластикового диска с оптическим считыванием информации.

В 1979 году компании Sony и Philips предложили стандарт Red Book цифровой записи звука.

Аналоговый звук оцифровывается и записывается в виде спиральной дорожки из чередующихся нулей и единиц (микронных лунок-питов и гладкой поверхности) на 12-см, чуть толще миллиметра, диск из поликарбоната, покрытый тончайшим слоем золота (позже — алюминия).

Лазер проигрывающего устройства освещает такой диск и детектирует двоичные «нули» и «единички», которые после обработки превращаются обратно в звук. Перепутать нуль с единицей практически невозможно. Возможные проблемы, связанные с ошибками при считывании и царапинами на поверхности диска, компенсировались цифровым методом коррекции ошибок.

В результате уменьшились не только физические размеры диска-носителя по сравнению с виниловой пластинкой, но и заметно увеличилась музыкальная емкость: до 74 минут (тогдашний владелец Sony пожелал, чтобы на один диск уместилась целиком его любимая Девятая симфония Бетховена).

В 1982 г. в Лангенхагене (Германия), началось массовое производство компакт-дисков (CD) с "Альпийской симфонией" И. Штрауса.

Актуально

Сейчас высококачественный звук записывается в форматах Super Audio CD и DVD Audio, которые:

• применяют DVD-носитель,

• используют многоканальную запись (до 5.1 ),

• частоту дискретизации  до 192 кГц,

• уровень квантования — до 24 бит (каждый бит повышает точность передачи звука вдвое и при такой глубине квантования динамический диапазон воспроизводимых звуков может превышать 130 дБ).

Новые форматы записи дают высочайшее качество, дороги (15$ за диск) и малопопулярны, т.к. основную массу слушателей качество звука, увы, не слишком-то волнует.

22.09.2008 SanDisk создала музыкальный носитель slotMusic, призванный заменить компакт-диск. SlotMusic представляет собой карту памяти SanDisk Micro SD объемом до гигабайта, на которую записана музыка в формате MP3 и битрейтом 320 KB/s. Ее смогут проигрывать самые разные устройства, включая мобильники и MP3-плееры. Музыка на slotMusic не защищена от копирования. Формат уже поддержали крупнейшие музыкальные лейблы: EMI Music, Sony BMG, Warner Music Group и Universal Music Group.

Важными параметрами цифрового представления звука являются частота квантования звуковых сигналов и разрядность квантования.

Частоты квантования показывают, сколько раз в секунду берутся выборки сигнала (измеряется его амплитуда) для преобразования в цифровой код.
Для стандарта CD это 44КГц (44 тысячи раз за секунду), для SACD 192КГц

Разрядность квантования характеризует число ступеней сигнала и измеряется степенью числа 2.

Для стандарта CD применяются 16-разрядные аудио адаптеры, имеющие 65 536 (2 в 16 степени) ступеней квантования —  как у звукового компакт–диска. Для стандарта SACD 24-разрядные.

Оцифрованный звук есть набор значений амплитуды сигнала, взятых через определенные промежутки времени и его можно записать в файл  последовательностью чисел (значений амплитуды).

Широко используются два  способа кодирования звуковой информации:

• PCM (импульсно-кодовая модуляция)

• ADPCM (адаптивная относительная импульсно-кодовая модуляция)

PCM (Pulse Code Modulation) - способ цифрового кодирования сигнала при помощи записи абсолютных значений амплитуд. Так записаны данные на всех аудио CD.

ADPCM (Adaptive Delta PCM) – запись значений сигнала в относительных изменениях амплитуд (приращениях), что позволяет упростить данные, чтобы они занимали меньший объем памяти.

Lossless coding (кодирование данных без потерь) позволяет осуществлять стопроцентное восстановление данных из сжатого (на 20-50%) потока.

Популярные  алгоритмамы Lossless coding:

• Windows Wave (WAV) основный формат звуковых файлов для Windows.

• Audio Interchange File Format (AIFF) основной формат звука для Макинтоша.

Lossy coding (кодирование данных с потерями) позволяет добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при как можно большем сжатии данных (в 10-15 раз).

В основе  lossy-кодеров лежит использование психоакустической модели:  определяются участки сигнала, в определенных частотных областях которых имеются неслышные человеческому уху нюансы (замаскированные или неслышимые частоты) и происходит их удаление из оригинального сигнала.

Популярные  алгоритмамы Lossy coding:

• MPEG-1 Layer III (MP3) - самый популярный, имеет высокое качество кодирования, которое объективно улучшается благодаря разработкам различных кодеров MP3 энтузиастами

• Ogg Vorbis (файлы .OGG) - свободный от лицензирования кодек, создаваемый независимыми разработчиками. Чаще всего ведет себя лучше MP3,  но мало распространен.

• Windows Media Audio (.WMA и .ASF) - по различным тестам этот кодек показывает себя от «как MP3» до «заметно хуже MP3» на средних битрейтах, и, чаще, «лучше MP3» на низких битрейтах.

• TwinVQ (VQF),

• MPEGPlus,

• TAC и т.д.

MIDI  (Musical Instruments Digital Interface) -  цифровой интерфейс музыкальных инструментов. 

Особая форма представления музыки в компьютере - ноты MIDI (события определяющие когда и с какими параметрами должен зазвучать определенный инструмент).

При этом под инструментом может пониматься какой угодно звук - будь то звучание настоящей скрипки или пианино либо искусственно созданный звук инструмента, которого не существует в природе. Для воспроизведения звука по этим "нотам" служит MIDI-синтезатор.

В компьютерных синтезаторах применяются два основных метода синтеза звука - частотный (FM) и таблично-волновой (Wave Table).

MIDI-интерфейс предполагает:

• Аппаратную часть - установленные на звуковой карте: синтезатор различных звуков и музыкальных инструментов, микропроцессор, MIDI-клавиатуру, разъемы и шнуры для подключения дополнительных устройств.

• Программную часть - протокол MIDI (набор команд, которые описывают различные функции системы MIDI и осуществляющих обмен информацией между устройствами MIDI).

Формат аудиофайлов Beatnik Mobile XMF (от компании Beatnik) позволяет феноменально уплотнять аудиозапись - в 10 раз, по сравнению с MP3.

Программа Beatnik Mobile Music Player ищет фрагменты композиции, которые встречаются больше одного раза, и записывает их только по одному разу (повторяющийся припев к песне записывается лишь один раз, а при проигрывании музыки этот фрагмент вставляется в композицию в нужных местах).

Формат включает данные об исполнителе, композиции и альбоме, систему DRM.

При использовании Beatnik Mobile XMF время скачивания одного файла даже через GPRS оказывается меньше, чем время звучания композиции.

Достоинства

• надежность хранения (данные не искажаются с течением времени);

• компактность хранения;

• огромные возможности коррекции и редактирования.

Ограничения

• Аналоговый звук слушается живее (процесс оцифровки вносит погрешности в звучание, а усиливающая цифровая аппаратура привносит специфические искажения).

• Слуховой аппарат человека воспринимает частоты до 20 кГц, но человеческий мозг улавливает и более высокие частоты на подсознательном уровне.