знать:

• 
  
• 
  
• 
  

Звуковая система ПК. Состав звуковой системы ПК. Принцип работы и технические характеристики звуковых плат. Направления совершенствования звуковой системы. Принцип обработки звуковой информации. Спецификация звуковых систем.
Методические указания
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.

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.

Рисунок 10 - Структура звуковой системы ПК
Классическая звуковая система, как показано на рис. 5.1, со­держит:

• 
  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
Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Звуковая система ПК;
2. 
   Состав звуковой системы ПК;
3. 
   Принцип работы и технические характеристики звуковых плат;
4. 
   Направления совершенствования звуковой системы;
5. 
   Принцип обработки звуковой информации;
6. 
   Спецификация звуковых систем.

Тема 6.2 Модуль интерфейсов обработки звуковой информации
Студент должен:
иметь представление:

• 
  о звуковой системе ПК

знать:

• 
  состав звуковой подсистемы ПК;
• 
  принцип работы модуля записи и воспроизведения;
• 
  принцип работы модуля синтезатора;
• 
  принцип работы модуля интерфейсов;
• 
  принцип работы модуля микшера;
• 
  организацию работы акустической системы.

Состав звуковой подсистемы ПК. Модуль записи и воспроизведения. Модуля синтезатора. Модуль интерфейсов. Модуль микшера. Принцип работы и технические характеристики акустических систем. Программное обеспечение. Форматы звуковых файлов. Средства распознавания речи.
Методические указания
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).

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.

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.

Аналого-цифровое преобразование представляет собой преобра­зование аналогового сигнала в цифровой и состоит из следующих основных этапов: дискретизации, квантования и кодирования.

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

Дискретизация сигнала заключается в выборке отсче­тов аналогового сигнала с заданной периодичностью и определя­ется частотой дискретизации. Причем частота дискретизации дол­жна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники (ча­стотной составляющей) исходного звукового сигнала.

Квантование по амплитуде представляет собой измерение мгновенных значений амплитуды дискретного по времени сигна­ла и преобразование его в дискретный по времени и амплитуде. На рисунке 11 показан процесс квантования по уровню аналогового сигнала, причем мгновенные значения амплитуды кодируются 3-разрядными числами.

^ Рисунок 11 - Схема аналого-цифрового преобразования звукового сигнала
Кодирование заключается в преобразовании в цифровой код квантованного сигнала. При этом точность измерения при кван­товании зависит от количества разрядов кодового слова.

^ Рисунок 12 - Дискретизация по времени и квантование по уровню аналого­вого сигнала квантования амплитуды отсчета.
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 рисунке 12. 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 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.

^ Рисунок 13 - Схема цифроаналогового преобразования
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).

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.

Модуль синтезатора

Электромузыкальный цифровой синтезатор звуковой системы позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе и звучание реальных музыкальных инструментов. Принцип действия синтезатора иллюстрирует рисунке 14.

Синтезирование представляет собой процесс воссоздания струк­туры музыкального тона (ноты). Звуковой сигнал любого музыкаль­ного инструмента имеет несколько временных фаз. На рисунке 15, 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 рисунке 15, б. 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).

Рисунок 15 - Принцип действия современного синтезатора: а - фазы звукового сигнала; 6 - схема синтезатора
Основные характеристики модуля синтезатора:

1. 
   метод синтеза звука;
2. 
   объем памяти;
3. 
   возможность аппаратной обработки сигнала для создания зву­ковых эффектов;
4. 
   полифония - максимальное число одновременно воспроиз­водимых элементов звуков.

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.

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.

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.

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

Интерфейс PCI 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

Модуль микшера

Модуль микшера звуковой карты выполняет:

1. 
   коммутацию (подключение/отключение) источников и при­емников звуковых сигналов, а также регулирование их уровня;
2. 
   микширование (смешивание) нескольких звуковых сигналов и регулирование уровня результирующего сигнала.

К числу основных характеристик модуля микшера относятся:

1. 
   число микшируемых сигналов на канале воспроизведения;
2. 
   регулирование уровня сигнала в каждом микшируемом ка­нале;
3. 
   регулирование уровня суммарного сигнала;
4. 
   выходная мощность усилителя;
5. 
   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: Joystick/MIDI - для подключе­ния джойстика или MIDI-адаптера; MicIn - для подключения микрофона; LineIn - линейный вход для подключения любых источников звуковых сигналов; LineOut - 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.

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

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.

^ 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 соответствии 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. АС с высокой чувствитель­ностью достаточно хорошо воспроизводят как тихие, так и гром­кие звуки.

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 (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.

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 производят не­большой Chipset, установленный в колонках.
Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Состав звуковой подсистемы ПК;
2. 
   Модуль записи и воспроизведения;
3. 
   Модуля синтезатора;
4. 
   Модуль интерфейсов;
5. 
   Модуль микшера;
6. 
   Принцип работы и технические характеристики акустических систем. Программное обеспечение;
7. 
   Форматы звуковых файлов;
8. 
   Средства распознавания речи.

Практическая работа 8. Звуковая система ПК
Студент должен:
иметь представление:

• 
  о звуковой системе ПК

знать:

• 
  принципы обработки звуковой информации;
• 
  состав звуковой подсистемы ПК;
• 
  основные характеристики звуковых плат

уметь:

• 
  подключать и настраивать звуковые подсистемы ПК;
• 
  производить запись звуковых файлов.

Раздел 7. Устройства вывода информации на печать
Тема 7.1 Принтер
Студент должен:
иметь представление:

• 
  об устройствах вывод информации на печать

знать:

• 
  принцип работы устройств вывода информации на печать матричного принтера. Основные узлы и особенности эксплуатации, технические характеристики;
• 
  принцип работы устройств вывода информации на печать струйного принтера Основные узлы и особенности эксплуатации, технические характеристики;
• 
  принцип работы устройств вывода информации на печать лазерного принтера Основные узлы и особенности эксплуатации, технические характеристики.

Общие характеристики устройств вывода на печать. Классификация печатающих устройств. Принтеры ударного типа: принцип действия, механические узлы, особенности работы, технические характеристики, правила эксплуатации. Основные современные модели.

^ Струйные принтеры: принцип действия, механические узлы, особенности работы, технические характеристики, правила эксплуатации. Основные современные модели.

Лазерные принтеры: принцип действия, механические узлы, особенности работы, технические характеристики, правила эксплуатации. Основные современные модели.
Методические указания
Принтеры - устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы и фиксирующие эти символы на бумаге.

Классификацию принтеров можно выполнить по целому ряду характеристик:

1. 
   способу формирования символов (знакопечатающие и знак о синтезирующие);
2. 
   цветности (черно-белые и цветные);
3. 
   способу формирования строк (последовательные и параллельные);
4. 
   способу печати (посимвольные, построчные и постраничные)
5. 
   скорости печати;
6. 
   разрешающей способности.

Принтеры обычно работают в двух режимах: текстовом и графическом.

При работе в текстовом режиме принтер принимает от компьютера коды символов, которые необходимо распечатать из знаки генератора самого принтера. Многие изготовители оборудуют свои принтеры большим количеством встроенных шрифтов. Эти шрифты записаны в ROM принтера и считываются только оттуда.

Для печати текстовой информации существуют режимы печати, обеспечивающие различное качество:

• 
  черновая печать (Draft);
• 
  типографское качество печати (NLQ - Near Letter Quality);
• 
  качество печати, близкое к типографскому (LQ - Letter Quality);
• 
  высококачественный режим (SQL - Super Letter Quality).

В графическом режиме на принтер направляются коды, опреде­ляющие последовательности и местоположение точек изображе­нии.

По способу нанесения изображения на бумагу принтеры подразделяются на принтеры ударного действия, струйные, фотоэлектронные и термические.

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 - 3 D - 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.

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. 5.1, со­держит:

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.

Аналого-цифровое преобразование 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. 5.2.

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

Дискретизация сигнала заключается в выборке отсче­тов аналогового сигнала с заданной периодичностью и определя­ется 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 по амплитуде представляет собой измерение мгновенных значений амплитуды дискретного по времени сигна­ла и преобразование его в дискретный по времени и амплитуде. На рис. 5.3 показан процесс квантования по уровню аналогового сигнала, причем мгновенные значения амплитуды кодируются 3-разрядными числами.

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 16 = 65 536. Для 8-разрядного представления соответственно полу­чим 2 8 =256 градаций амплитуды.

Аналого-цифровое преобразование осуществляется специаль­ным электронным устройством - аналого-цифровым преобразова­ телем (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. 5.4. 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, при-I холящихся 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 ПАП, 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 и звучание реальных музыкальных инструментов. Принцип действия синтезатора иллюстрирует рис. 5.5.

Синтезирование представляет собой процесс воссоздания струк­туры музыкального тона (ноты). Звуковой сигнал любого музыкаль­ного инструмента имеет несколько временных фаз. На рис. 5.5, 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. 5.5, б. 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;

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.

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.

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.

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 PCI 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: Joystick / 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.

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 Digital 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.

Основные характеристики АС: полоса воспроизводимых час­тот, чувствительность, коэффициент гармоник, мощность.

Полоса воспроизводимых частот (FrequencyRespon ­ se ) - 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 соответствии 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. АС с высокой чувствитель­ностью достаточно хорошо воспроизводят как тихие, так и гром­кие звуки.

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 (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 Chipset, 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 ШЕЕ 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, про-

смотра 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

Какие основные функции выполняет звуковая система ПК?

Какие основные компоненты входят в состав звуковой системы ПК?

Исходя из каких соображений выделяется частота дискретизации сигнала в процессе аналого-цифрового преобразования?

1. 
   Перечислите основные этапы аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования.

Какие основные параметры характеризуют модуль записи и воспроизведения звука?

Какие применяют методы синтеза звука?

Какие функции выполняет модуль микшера и что относится к числу его основных характеристик?

В чем отличие пассивной акустической системы от активной?

С завоевыванием рынка компьютерами домашние кинотетры начали вытесняться и на сегодня уже почти забыты. Не заслуженно забыты...

Что же было хорошего в домашнем кинотеатре, кроме возможности воспроизводить ДВД диски? Ведь самый простенький ДВД-плеер может тоже самое. Какой смысл платить за какие то пять колонок, порой не взрачных и дополнительный ящик, именуемый непонятным словом сабвуфер?
Чтож... Начнем как обычно - с задни... Пардон - с конечной стороны, а именно с акустических систем.
Прежде всего необходимо пояснить что же это такое САБВУФЕР. Не будем изобретать словестный велосипед и обратимся к Википедии, которая гласит:
Сабвуфер (англ. subwoofer) - акустическая система, воспроизводящая звуки низких частот (примерно от 5 до 200 Гц).
Низкие звуковые частоты плохо локализуются, то есть человеку сложнее определить, откуда идёт звук. Получается, что в многополосной аудиосистеме можно сделать одну большую низкочастотную колонку на всю систему, а в остальных колонках держать лишь средне- и высокочастотные динамики. Это делает акустическую систему более компактной, уменьшает стоимость и позволяет поместить громоздкий и вибрирующий сабвуфер в место, где он не будет мешать (например, под стол). Кроме того, подбирая подходящее место для сабвуфера, можно попытаться погасить низкочастотные стоячие волны, неизбежно возникающие в небольшом замкнутом помещении.
Сабвуфер обычно применяется в системах, рассчитанных на просмотр современных насыщенных спецэффектами фильмов и прослушивание современной музыки (особенно электронной) - в них важна убедительная передача низких частот.
Частая проблема сабвуферных систем - плохая стыковка амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик сателлитов и сабвуфера. На стыке АЧХ может быть как провал, так и завышение уровня из-за несоответствия частотного диапазона или интерференции волн с разным фазовым сдвигом. Поэтому на некоторых сабвуферах существует возможность подстройки его верхней граничной частоты и фазы.
Тут необходимо небольшое пояснение - сателлитами называют акустические системы (колонки) используемые для воспроизведение средних и высоких частот.
Внешне комплект акустических систем 5.1 может выглядеть по разному. Это может быть пять полностью одинаковых сателлитов и один сабвуфер:

А может и отличаться внешним видом всех трех групп сателлитов - передние будут более габаритными, поскольку основной упор звуковой картины делается все таки на них, задние более компактыне, а центральная ас будет чем то промежуточным между передними и задними.

В любом случае будет присутствовать довольно большой ящик с единственным динамиком, который и именуется сабвуфером.
Что же дает такое большое количество колонок? Прежде всего следует заметить, что не такое оно уж и большое. Уже есть аудиокарты подерживающие систему 7.1, т.е. состояющую из восьми усилителей и акустических систем. Но поскольку разговор идет о системах 5.1, то именно эта ситема позволяет получить эффект сто процентного присутствия, поскольку звук идет со всех четырех сторон, а центральная акустическая система позволяет акцентировать, что все таки у этой звуковой картины есть перед.
В интернете иногда возникают споры, мол зачем столько колонок, мол у человека всего два уха и следовательно двух колонок будет волне достаточно. Более невежественного заявления найти довольно затруднительно. Есть, и довольно давно, наука, именуемая психоакустикой, которая вполне подробно, практически на пальцах объясняет почему человек при наличии всего двух ушей безошибочно определяет направление источника звука, не зависимо от того находится ли источник сзади или спереди.
Именно отталкиваясь от способностей человека определять направление звука и были созданы первые системы объемного звучания, именуемы КВАДРО. Далее формат переос в систему 5.1, причем на сегодня он имеет две разновидности.
Первый вариант делает упор на использование его в звуковом сопровождении к фильмам и как правило обозначается логотипом разработчика формата "Dolby Digital"
Dolby Digital EX
EX - это приставка, использующаяся для обозначения систем звука Dolby Digital c 5.1 каналами: двух фронтальных, центрального, низкочастотного, тылового объёмного звучания и двух боковых объёмного звучания.
Dolby Digital Surround-EX
Dolby Digital Surround-EX добавляет звуковой дорожке третий канал объёмного звука. Идея принадлежит звукорежиссёрам студии Skywalker Sound. Технология разработана совместно с Dolby Laboratories и Lucasfilm THX.
Dolby Digital Live
Dolby Digital Live (DDL) - технология кодирования многоканального (5.1) аудиосигнала в формат AC3 в реальном времени, предложенная компанией Dolby Technologies. Предназначена для передачи многоканального звука из игр и иных приложений на ресивер по интерфейсу S/PDIF(оптическому или коаксиальному).
Её использование позволяет избавиться от ограничений, из-за которых по цифровым интерфейсам могли передаваться только уже готовые (то есть хранящиеся закодированными в формат AC3 или DTS) многоканальные дорожки, обычно являющиеся звуковым сопровождением фильмов), а в играх возможности цифрового выхода ограничивались обычным стереозвуком. (Для полноценного 5.1 в играх в таких случаях требуется трёхпроводное аналоговое подключение, если оно, конечно, возможно.)
Принципиальным и неустранимым недостатком технологии DDL является некая потеря качества звука от сжатия его в AC3 формат(сравнимая с переходом от CD-Audio к mp3 с высоким битрейтом) что, однако совершенно некритично для основного предполагаемого её применения.
В настоящее время эта технология встречается преимущественно в материнских платах, оснащённых кодеками Realtek ALC882D, ALC888DD и ALC888H, а также с некоторыми кодеками C-Media. Такие платы можно найти по фразам «AC3 Encode» или собственно «Dolby Digital Live» в описаниях товара.
Также эта технология начинает внедряться в ноутбуки, где в условиях дефицита места для «лишних» аналоговых разъёмов сулит наибольшие преимущества - один разъём позволит получить полноценный 5.1 звук во всех приложениях при условии подключения ноутбука к ресиверу или набору активных колонок со встроенным декодером.
Из отдельных звуковых карт с поддержкой этой технологии стоит отметить Terratec Aureon 7.1, а в популярных звуковых картах семейства Creative X-Fi поддержка DDL отсутствует, но (по неофициальной информации) в будущем не исключено её введение задним числом при выходе новой версии драйверов.
На 2010 год из семейства Creative X-Fi можно выделить следующие модели с поддержкой этой технологии: CREATIVE X-Fi Titanium 7.1, CREATIVE X-Fi Titanium Fatal1ty Pro 7.1, CREATIVE X-Fi Titanium Fatal1ty Champion 7.1
Dolby Digital Plus
Детище компаний MIPS Technologies и Dolby Laboratories.
Особенности:
Многоканальный звук с независимыми каналами
Поддерживается до 7.1 каналов и возможность наличия нескольких аудио программ в одном потоке
Вывод потока Dolby Digital для совместимости со старыми устройствами
Максимальная скорость потока до 6 Mbps
Битрейт от 3 Mbps на HD DVD и до 1.7 Mbps на Blu-ray Disc
Поддерживается HDMI
В одном потоке может содержатся материал на разных языках
Новые возможности при кодировании для аудио профессионалов
Сохранение высокого качества на более эффективных для радиовещания скоростях передачи данных (200 Kbps для 5.1 каналов)
Dolby Digital Plus поддерживает больше 8 аудио каналов. Стандарты HD DVD и Blu-ray Disc сейчас ограничивают это число до 8.
Dolby TrueHD
Dolby TrueHD является форматом звука сжатого без потерь по алгоритму Meridian Lossless Packing (MLP). Характеристики звука, сжатого по стандарту:
до 14 каналов из потока, хотя чаще всего сегодня используются в фильмах на Blu-ray дисках: 6 (5.1) каналов и максимум 8 (7.1), а поддерживается воспроизведения со стороны AV-ресиверах - 8 каналов (7.1);
разрядность до 24 бит и частота дискретизации 192 кГц (что и для носителя Blu-ray - 18 Мбит/с), хотя для фильмов на Blu-ray распространено до 8 каналов с 24 бит и 96 кГц при сжатии до потока при сжатии 63 Мбит/с или - 6 каналов с 24 бит и 192 кГц при сжатого потока до 18 Мбит/с.

Второй вариант - Waveform Audio File Format (WAVE, WAV, от англ. waveform - «в форме волны») - формат файла-контейнера для хранения записи оцифрованного аудиопотока, подвид RIFF. Этот контейнер как правило используется для хранения несжатого звука в импульсно-кодовой модуляции. Однако контейнер не налагает каких-либо ограничений на используемый алгоритм кодирования. Данный вариант позволяет в одном файле хранить сразу нескоьк не зависимых звуковых потоков с отсутствием проникновения одного потока в другой. Данный формат широко используется в компьютерной технике.

Какую систему лучше купить? Тут уже все зависит от суммы, которую Вы желаете потратить на эту затею и собственно предполагаемых условий эксплуатации. Например Вы живете в панельном доме с отличной слышимостью. Слишком большая громкость вашей акустики неизбежно вызовет жалобы соседей. В этом случае смысла гнаться за мощными аппаратами нет - вполне подойдет и приведенная на верхней фотографии система.
Если же есть возможность слушать мцзыку по громче, то тут уже нужно исходить из ценовой категории акустических систем.
Прежде всего нужно обратить внимание на корпус колонок. Если он пластмассовый, то хорошего звука от них ожидать весьма наивно. Дело в том, что динамическая головка конструктивно сделана так, что и передняя сторона дифузора и задняя отдают в атмосферу абсолютно одинаковое звуковое давление. И чем громче играет дианмик, создавая звуковую волну, направленную на слушателя, тем сложнее удержать эту же волну, но противоположную по фазе внутри корпуса акустической ситемы. Если корпус пластмассовый и довольно тонкий, то он уже сам начнет издавать звук, не справляясь со звуковым давлением внутри колонки. Особенно это будет заметно на частотах близких к резонансу пластмассы, из котрой сделана колонка.
Выявить эту проблему не сложно - достаточно постучать костяшками пальцев по боковине корпуса акустической системы. Звук получится звонкий и достаточно громкий. Акустические системы дающие тихий глухой звук при ударе по корпусу считаются хорошими и чем тише и глуше звук удара по колонке, тем у ее корпуса лучше звукопоглощение и ее корпус не будет давать дополнительных призвуков в звуковой сигнал.
Конструктивно акустические системы 5.1 могут быть либо активными, либо пассивными. В первом случае это означает, что в корпус одной из акустических систем (обычно сабвуфера, поскольку он самый большой) спрятан усилитель мощности. Отличить подобный сабвуфер от пассивного не трудно - у него на корпусе имеются ручки управления, часто индикация, а сзади целая группа различный разъемов и зажимов:

Однако комплектом активной акустической системы может называться и комплект пассивных колонок, дополненный отдельным блоком, в котором собственно и находится усилитель мощности:

Пассивные акустические системы 5.1 предназначены для работы с современными ресиверами, имеющими такое же количество выходов. Обычно такие системы значительно мощнее и качественней сделаны, чем активные, поскольку подразумевают уже среднюю и высокую ценовую категорию:

Оптимальное расположение акустических систем приведено на рисунке ниже:

Сабвуфер на рисунке не показан, поскольку его место нахождение не принципиально. Главное - чтобы он был.
Практически все активные акустические системы содержат усилители, выполненные на микросхемах и вполне подходят не искушенному, средне статистическому слушателю. Однако и тут есть разница в звучании, да и в качестве самой конструкции как таковой. Например первые модели активной акустики фирмы "microlab" отличались и качеством звучания и своей выносливостью. Как только Российский рынок этой торговой маркой был освоен начались проблемы с качеством - постоянно сгорающие сетевые трансформаторы, заметное снижение качества звука, отсутствие звуко поглощающих материалов внутри корпусов акустических систем и т.д. и т.п. Конечно же менеджеры утверждали, что у них стабильные цены на фоне дорожающих аналогов конкурентов, но вот за счет чего производилась экономия?
Более менее стабильными по качеству своей продукции пока остаются "SVEN", выпускающая как активную акустику, так и пассивную. Стараются держать марку и "Genius". Так же следует обратить внимание на новые торговые марки - пока идет освоение рынка продукция обычно надлежащего качества и именно той ценовой категории, которая обозначена.

Так же не стоит забывать об эконом классе, но это касается только тех, у кого руки растут из нужного места, поскольку речь идет о самодельных акустических системах и усилителях.
Бывшие в употреблении акустические системы можно купить прктически за копейки. Для небольших помещений вполне подойдут S-30:

Для тех, кто любит немного громче есть S-50.

Ну и конечно же не стоит забывать о легенде Советского звукостроения S-90:

Был еще один вариант популярной акустической системы - S-70. Уникальность данной АС заключается в том, что внутри каждой колонки стоял усилитель мощности, причем довольно не плохой для своего времени.

Основной недостаток этой системы заключается в том, что сегодня практически не возможно найти данные колонки с исправным усилителем. Однако, пару абзацев назад было упомянуто, что этот текст для тех у кого руки растут из нужного места, следовательно ни что не мешает демонтировать старую начинку данной колонки и используюя лишь источник питания монтировать в АС новый усилитель.
Так же не стои забывать об изделия Украинсткого радиостроения КЛИВЕР, среди которых тоже были вполне достойные экземпляры:

Конечно же использование данных комплектов требует не только место, для размещения, но и денег. Однако как бы не казалось это удовольствие дорогим далеко не каждый имеет представление об истинно дорогих акустических системах. Например система B&W Nautilus стоят 2600000 рублей за две штуки:

Но и это далеко не предел, поскольку Британская компания Hart Audio доказала, что нет предела совершенства выпустив акустическую систему Hart Audio D&W Aural Pleasure для меломанов, которая действительно вызывает «вау» эффект. Стоимость этого ЧУДА составляет 4700000 долларов США:

В качестве усилителя наиболее выгодно использовать ресиверы, поскольку довольно много моделей современных ресиверов подерживают звук 5.1. Однако далеко не все оснащены усилителем для сабвуфера и имеют только линейный выход под НЧ канал. Модельный ряд ресиверов озвучивать смысла не имеет - большинство ресиверов средней ценовой категории изготовлены в Китае и в качестве усилителей мощности используются микросхемы STK, на которых можно получить вполне хороший звук (не аудиофильский, конечно же, но гораздо лучший, чем на КТ805).
Необходимо сказать пару слов собственно об источниках. Поскольку начало разговора было о компьютерах, то закончить его вполне логично беседой об аудиокартах. Практически все материнские платы оборудованы интегрированными аудиокартами и подавляющее большинство пользователей вполне логиччно спрашивает: "А на фига что-то другое?".
Можно конечно развести на эту тему большу полемику, но наиболее наглядынм будет перефразировать вопрос: "Довольно много материнских плат оборудовани интегрированными видекартами, однако зачем в них всталяют видеокарты стоимость чуть ли не как сама материнская плата?"
Правильно. Интегрированная карта не способна обработать информацию с той скоростью, с котрой делает это устанавливаемая в слот видюха. Отсутствие мощной видекарты ограничивает возможности компьютера, наиболее заметное в инсталяции игр. Тоже самое касается и аудикарты. Самая популярная АС-97 разрабатывалась для того, чтобы издавать звуки, но ни как не музыку. К сожалению кривизна звука не так наглядна и не так режет ухо, как кривизна изображения, однако прослушав одну и туже композицию на разных типах аудиотракта можно составить впечатление.
Для большей наглядности приведу несколько комментариев, оставленных в интернетмагазинах:

Creative "SoundBlaster 5.1 VX" PCI OEM , стоимостью1600-1700 руб
Звук при воспроизведении музыки,фильмов, отличный. Использую с ресивером yamaha и системой 5.1 через оптический кабель. Все функции обработки звука работают
Звук отличный! Используется в комплекте: передние колонки Microlab solo 6, задние SVEN... В комнате 4х6м можно устраивать дискотеку.

ASUS "Xonar DS" 7.1 PCI Retail, стоимостью 1700-1850 руб
Отношение сигнал шум 107 Дб. В наушниках вообще ни каких посторонних шумов при полной громкости.
Чистый звук по сравнению с интегрированными звуковыми картами
Единственно что в ней порадовало это качество звука который сразу стал отличаться даже на не дорогой акустике microlab solo.
Потрясающий звук (причём с родными драйверами и родным операционником)! Удобные настройки.
Первые ощущения после встроенной звуковки. Высокие частоты лучше стали прослушиваться, вокал на порядок выше звучит. В песнях стали слышны некоторые мелочи которые до этого были неуловимы на слух

ASUS Xonar DX 7.1 PCI-Ex1, стоимостью 2600-2700 руб.
Звук просто потрясающий (слушаю в Sennheiser HD380Pro). X-FI нервно курит в сторонке (про интегрированные вообще молчу).
Звук просто прекрасный. Немного повозился с настройкой звука, что бы раскрылась карточка на все 100%. Теперь очень доволен как звучит вся аудио система. Использую Solo 7c + пассивный саб SVEN на 70 ватт.
Отменный звук как через колонки,так и через наушники!!!
Хороший плотный звук. Глубокие басы, ровная подробная середина, высокие в меру воздушные. Наличие ASIO. Не удобное ПО приходится переключать всё в ручную, но это компенсируется качеством звука!
Звук стал намного глубже, четче, объемнее. Теперь даже не знаю как раньше жил на встроенном звуке.
Даже не сильно качественные колонки с этой звуковушкой выдают просто офигенский, невероятный звук.
Как владелец этой аудиокарты полностью подерживаю все выше сказанное. Разумеется были и отрицательные отзывы, но практически все из них связаны с установкой драйверов. Я сам попался на удочку, когда после включения карта попросила драйвера и я их дал с установочного диска. После установки звук не появился, не появился и после перезагрузки. Оказывается я не дочитал, положившись на свою гениальностью, что нужно устанавливать ВЕСЬ пакет утилит. Только после этого карта заработала и менять ее на что-то я не собираюсь в ближайшие несколько лет.

Более дорогие аудикарты трогать не будем - это уже, так сказать, домашнее задание, если кому интересно. Общее же впечатление можно сформулировать весьма коротким предложением - после опробывания аудикарт ни кто не станет возвращаться к интегрированным.
Осталось немного обсудить помещение, где будет эксплуатироваться аудиосистема. Конечно же делать капитальный ремонт в комнате, где установлен аудиокмплекс ни кто не призывает. Однако дать несколько рекомендаций все таки надо.
Самым паршивым местом для аудиосистем являются серванты. Раставленные на стеклянных полках рюмки, фужеры, вазы, статуэтки уже при мощностях более пяти ватт в сумме со всех каналов начинают потихоньку позвякивать, побрякивать и подделенчивать. Поэтому следует приложить максимум усилий, чтобы избавится от склада стеклотары в помещении, где будет прослушиваться музыка.
Так же негативно сказываются на звуке голые стены. Многократно переотражаясь возникает вероятность возникновения стоячей волны, которая может испортить звук даже самой хорошей акустической системы. Поэтому рекомендуется не брезговать украшением стены в виде ковров. Ковер имеет неоднородную структуру и довольно хорошо поглощает звук.
Еще одной неприятностью может послужить сильноточные потребители. Как правило у китайских соединительных кабелей довольно плохая экранировка, поэтому кабель от аудиокарты до усилителя (активной акустической системы) должен быть минимальной длины и поблизости не должно быть розеток, в которые включаются маслянные обогреватели, чайники и другие потребители мощность которых превышает 1000 Вт.
Статья подготовлена для сайта

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство просвещения ПМР

ГОУ «Тираспольский Техникум Информатики и Права»

Дипломная работа

Тема: Исследование звуковой системы ПК с помощью диодной пластины

г. Тирасполь

Введение

Глава 1. Теоретическая часть. Исследование звуковой системы ПК с помощью диодной пластины

1.1 Аналитический обзор по теме

1.2 Практическая часть

1.2.1 Структурная схема приемо-передающего устройства для беспроводной передачи сигнала

1.2.2 Выбор элементной базы для построения устройства для исследования звуковой системы ПК

1.2.3 Принцип работы устройства для исследования звуковой системы ПК

1.2.4 Применение устройства

Глава 2. Охрана труда. Меры безопасности при техническом обслуживании средств вычислительной техники

2.1 Производственная санитария и гигиена труда

2.2 Требования к организации и оборудованию рабочего места техника

2.3 Требования пожарной безопасности

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Традиционным способом передача звука от звуковой карты ПК на усилитель колонок осуществляется с помощью кабелей. В дипломном проекте рассмотрена беспроводная передача звука по лазерному лучу на расстояние до нескольких метров.

Данная работа является актуальной, так как звуковая система существенно расширяет возможности ПК как технического средства информатизации. 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.

Целью данной дипломной работы является исследование схемотехнических решений устройств для исследований работы звуковой системы ПК, разработка структурной и принципиальной схемы, изготовление макета.

Для реализации поставленных целей нужно решить следующие задачи:

рассмотреть литературных данных по теме диплома, провести исследования по данной тематике (разработать схемы, спроектировать устройство, проанализировать рабочие характеристики устройства), привести инженерные расчеты данного разрабатываемого устройства.

Целью охраны труда является научный анализ условий труда, технологических процессов, аппаратуры и оборудования с точки зрения возможности возникновения появления опасных факторов, выделение вредных производственных веществ. На основе такого анализа определяются опасные участки производства, возможные аварийные ситуации и разрабатываются мероприятия по их устранению или ограничение последствий.

Изучение и решение проблем, связанных с обеспечением здоровых и безопасных условий, в которых протекает труд человека - одна из наиболее важных задач в разработке новых технологий и систем производства.

Изучение и выявление возможных причин производственных несчастных случаев, профессиональных заболеваний, аварий, взрывов, пожаров, и разработка мероприятий и требований, направленных на устранение этих причин позволяют создать безопасные и благоприятные условия для труда человека. Комфортные и безопасные условия труда - один из основных факторов, влияющих на производительность и безопасность труда, здоровье человека.

Глава 1. Теоретическая часть. Исследование звуковой системы ПК с помощью диодной пластины

1.1 Аналитический обзор по теме

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.

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, а также устройства записи и воспроизведения аудиоинформации (акустическую систему). 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:

модуль записи и воспроизведения звука;

модуль синтезатора;

модуль интерфейсов;

модуль микшера;

акустическую систему.

Рис. 1 - Структура звуковой системы ПК

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».

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.

Аналого-цифровое преобразование 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.

Рис. 2 - Схема аналого-цифрового преобразования звукового сигнала

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

Дискретизация сигнала заключается в выборке отсчетов аналогового сигнала с заданной периодичностью и определяется 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.

Рис. 3 - Дискретизация по времени и квантование по уровню аналогового сигнала

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 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 2N. 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 216= 65 536. Для 8-разрядного представления соответственно получим 28 = 256 градаций амплитуды.

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.

Рис. 4 - Схема цифроаналогового преобразования

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.

МОДУЛЬ СИНТЕЗАТОРА

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

Рис. 5 - Принцип действия современного синтезатора: а - фазы звукового сигнала; б - схема синтезатора

Синтезирование представляет собой процесс воссоздания структуры музыкального тона (ноты). Звуковой сигнал любого музыкального инструмента имеет несколько временных фаз. На рис. 5а 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. 5 б. 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 зву ковых эффектов;

полифония - максимальное число одновременно воспроизводимых элементов звуков.

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.

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.

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-син-тезом 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.

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 PCI 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.

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: Joystick/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.

АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

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

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 Digital 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.

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 соответствии 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. АС с высокой чувствительностью достаточно хорошо воспроизводят как тихие, так и громкие звуки.

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 (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 Chipset, установленный в колонках.

МЕТОДЫ СЖАТИЯ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Простейший способ цифрового представления сигналов называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) или РСМ (Pulse-Code Modulation). Поток данных РСМ представляет собой последовательность мгновенных значений или выборок (samples) в двоичном коде. Если применяемые преобразователи имеют линейную характеристику (мгновенное значение напряжения сигнала пропорционально коду), то данная модуляция называется линейной (Linear PCM). В случае ИКМ кодер и декодер не выполняют преобразования информации, а только занимаются упаковкой/распаковкой бит в байты и слова данных. Интенсивность потока (bit rate) определяется как произведение частоты дискретизации (sample rate) на разрядность и на число каналов. Аудио-CD дает поток 44 100 х16х2= 1411 200 бит/с (стерео).

Для реальных звуковых сигналов кодирование с линейной ИКМ является неэкономичным. Поток данных можно сократить, если использовать несложный алгоритм сжатия, применяемый в системе дельта-ИКМ (ДИКМ), она же DPCM (Differential Pulse-Code Modulation). Упрощенно этот алгоритм выглядит так: в цифровом потоке передаются не сами мгновенные отсчеты, а масштабированная разность реального отсчета и его значения, сконструированного кодеком по ранее сгенерированному им потоку данных. Разность передается с меньшим числом разрядов, чем сами отсчеты. В АДИКМ (адаптивная | ДИКМ, или ADPCM - Adaptive Differential Pulse-Code Modulation) масштаб разности определяется по предыстории - если разность монотонно растет, маcштаб увеличивается, и наоборот.

Конечно, восстановленный сигнал при таком представлении будет больше отличаться от исходного, чем при обычной ИКМ, но можно добиться существенного сокращения потока цифровых данных. ADPCM стала широко применяться при цифровом хранении и передаче аудиоинформации (например, в голосовых модемах). Алгоритм ADPCM с точки зрения процессора PC может быть реализован как программно, так и аппаратно средствами звуковой карты (модема).

Более сложные алгоритмы и высокая степень сжатия применяются в аудио- -кодеках MPEG. В кодере MPEG-1 входным потоком являются 16-битные выборки с частотой 48 кГц (профессиональная аудиотехника), 44,1 кГц (бытовая техника) или 32 кГц (применяется в телекоммуникациях).

Стандарт определяет три «слоя» (layer) сжатия - Layer I, Layer 2 и Layer 3, работающие один поверх другого.

Первоначальная компрессия осуществляется на основе психофизических свойств звуковосприятия. Здесь обыгрывается свойство маскирования звуков: если в сигнале имеются два тона с близкими частотами, существенно различающиеся по уровню, то более мощный сигнал замаскирует слабый (он не будет услышан). Пороги маскирования зависят от удаленности частот.

В MPEG весь диапазон звуковых частот разбивается на 32 поддиапазона (sub-band), в каждом поддиапазоне определяются наиболее мощные спектральные составляющие и для них вычисляются пороги частот маскирования. Эффекты маскирования от нескольких мощных составляющих суммируются. Действие маскирования распространяется не только на сигналы, присутствующие одновременно с мощным, но и на предшествующие ему за 2-5 мс (premasking) и последующие в течение до 100 мс (postmasking). Сигналы маскированных областей обрабатываются с меньшим разрешением, поскольку для них снижаются требования к отношению сигнал/шум. За счет этого «загрубления» и происходит сжатие. Компрессию на психофизической основе выполняет слой Layer 1.

Следующий этап (Layer 2) повышает точность представления и более эффективно упаковывает информацию. Здесь у кодера в работе находится «окно» длительностью 23 мс (1152 выборки).

На последнем этапе (Layer 3) применяются сложные наборы фильтров и нелинейное квантование. Наибольшую степень сжатия обеспечивает слой Layer 3, для которого при высокой достоверности декодирования достигается коэффициент сжатия 11:1.

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

При цифровом хранении легко реализуются многие эффекты, которые ранее требовали громоздких электромеханических или электроакустических устройств или сложной аналоговой электроники.

Известно, что в закрытом помещении (например, зале) от источника до слушателя доходит не только прямой звук, но и отраженный (многократно) от различных поверхностей (стен, колонн и т. п.). Отраженные сигналы приходят относительно прямого с различными задержками и затуханием. Это явление называется реверберацией. И Этим явлением при цифровой обработке сигнала можно управлять. При цифровом хранении легко реализуются многие эффекты, которые ранее требовали громоздких электромеханических или электроакустических устройств или сложной аналоговой электроники.

Прежде всего, это искусственная реверберация и эхо.

Известно, что в закрытом помещении (например, зале) от источника до слушателя доходит не только прямой звук, но и отраженный (многократно) от различных поверхностей (стен, колонн и т. п.). Отраженные сигналы приходят относительно прямого с различными задержками и затуханием. Это явление называется реверберацией. И Этим явлением при цифровой обработке сигнала можно управлять.

На основе смещения выборок можно делать и более сложные эффекты. В цифровой форме представления легко имитируется эффект Допплера - изменение частоты при быстром приближении источника звука к слушателю или удалении источника от слушателя. С этим эффектом сталкивались все - однотонный свисток приближающегося поезда звучит выше, а удаляющегося - ниже реального тона. В цифровом виде при воспроизведении накопление отставания выборок приведет к понижению тона, а сокращение отставания - к повышению.

Кроме фокусов с задержками возможно использование цифровой фильтрации - от реализации простейших темброблоков и эквалайзеров до «вырезания» голоса из песни (эффект «караоке»). Все определяется программным обеспечением и вычислительными ресурсами процессора.

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, 3D-звука, Dolby Surround и др.

1.2 Практическая часть

1.2.1 Структурная схема приемо-передающего устройства для беспроводной передачи сигнала

С ростом популярности беспроводных технологий расширяется и сфера их применения. В дипломной работе рассмотрено решение, построенное на принципе передачи медиаданных по беспроводным каналам и предназначенные для объединения ПК и компонентов бытовой аудиотехники в единый мультимедийный комплекс.

Время от времени у пользователей персональных компьютеров возникает необходимость подключить это устройство к стационарной аудиоаппаратуре, например к музыкальному центру. Конечно, наиболее простым вариантом в данном случае является подключение посредством кабеля. Однако у подавляющего большинства стационарных аудиокомпонентов разъемы для подключения источников сигнала располагаются на задней панели, добраться до которой обычно не так-то просто. Вторая, более серьезная проблема - отсутствие у многих недорогих магнитол и музыкальных центров входов для подключения внешних источников сигнала.

Одним из самых универсальных способов решения подобных проблем является использование маломощных радиопередатчиков, транслирующих звуковой сигнал в УКВ-диапазоне (возможность приема программ на этих частотах реализована практически во всех современных моделях магнитол и музыкальных центров). Стоит также отметить, что транслируемый подобным образом сигнал можно принимать сразу несколькими расположенными неподалеку радиоприемниками.

В случае взаимодействия цифрового плеера с аналоговой аппаратурой (магнитолами, музыкальными центрами и т.п.) передача звука в аналоговом виде является единственно возможным вариантом. Если же рассматривать взаимодействие двух цифровых устройств (например, компьютера и медиацентра), то в данном случае предпочтительнее использовать передачу звуковых данных по беспроводному каналу в цифровом виде.

Традиционным способом передача звука от звуковой карты вашего ПК на усилитель колонок осуществляется с помощью кабелей. В дипломном проекте рассмотрена беспроводная передача звука по лазерному лучу, на расстояние до нескольких метров.

На рис. 6 изображена структурная схема приемника аудио-сигнала:

Рис. 6 - Структурная схема приемника аудио-сигнала

На рис. 7 изображена структурная схема передатчика аудио-сигнала:

Рис. 7 - Структурная схема передатчика аудио-сигнала

Первичную обмотку непосредственно нужно подключить к выходу аудио сигнала. Минус аккумулятора подключаем к одному из концов вторичной обмотки, плюс аккумулятора подключаем напрямую к плюсу лазерного диода.

Второй конец вторичной обмотки через резистор 15-47 Ом подключаем к минусу лазерного диода.

1.2.2 Выбор элементной базы для построения устройства для исследования звуковой системы ПК

Для сбора устройства для беспроводной передачи сигнала необходимо следующее оборудование: источник аудио сигнала (персональный компьютер, музыкальный центр или мобильный телефон), сетевой трансформатор, мощностью 10-15 Вт, резистор от 5 до 20 Ом и аккумулятор.

Трансформатор можно использовать любой сетевой, мощность не более 20 Вт, содержащий вторичную обмотку на 6 или 12 В., либо намотать самому (первичная обмотка - 15 витков провода 0.8 мм., вторичная обмотка - 10 витков провода 0.8 мм.).

Для приемного устройства звукового сигнала понадобится фотодиод и усилитель низкой частоты.

Светодиод используется обычный. Его можно заменить лазером (значительно увеличит расстояние передачи), который нужно будет подключить через резистор 5 Ом., 0.5 Вт. Так же источник светового луча можно дополнить оптикой от DVD привода, тем самым сконцентрировать пучок света и увеличить расстояние передачи. Аккумулятор используется Li - Ion (литий - ионный) от мобильного телефона. Вместо него, можно использовать стабилизированный блок питания на 3.5 - 4 В., с силой тока не более 1 А. Параметры солнечного модуля: максимальное напряжение 14 В., при максимальном токе 100 мА. Модуль можно заменить любым другим фотоприемником.

1.2.3 Принцип работы устройства для исследования звуковой системы ПК

Из маломощного источника звука (персональный компьютер, мобильный телефон) подается звуковой сигнал на первичную обмотку трансформатора, выходит из вторичной обмотки, усиливается с помощью аккумулятора и поступает на светодиод / лазерный диод. Фотодиод, который служит приемником аудио сигнала, напрямую подключаем к входу усилителя мощности. Далее включаем музыку и направляем луч на фотоприемник. Луч света принимает солнечный модуль, который подключен к усилителю, а усилитель мощности усиливает слабый сигнал и в итоге получается достаточно качественный звук. Вместо лазера также можно применить обыкновенный светодиод, но в таком случае дальность передачи звукового сигнала будет не более 30 сантиметров, желательно применить белые или ультрафиолетовые светодиоды от зажигалок. При использовании лазерной указки, возможно передать звуковой сигнал на дистанцию до 15 метров, и заметьте качество звука достаточно хорошее. Передаваемый звук достаточно мощный на дистанции 7 метров, усилитель при полной громкости в нагрузку выдавал 80 процентов своей мощности.

Качество передаваемого сигнала довольно хорошее, искажение звука не наблюдается.

1.2.4 Применение устройства

Такое устройство нашло очень широкое применение в науке и технике, на основе именно такого передатчика и приемника основаны лазерные микрофоны для шпионажа.

Такой прибор отличный аксессуар для компьютера, например на компьютере играет музыка, а усилитель мощности не подключен кабелем к компьютеру, таким образом также можно передавать разговор, нужно просто подать на вход устройства сигнал от микрофона (с предварительным усилителем) и в итоге получается беспроводной телефон или рация, или отличный жучек для малых дистанций.

Глава 2. Охрана труда. Меры безопасности при техническом обслуживании средств вычислительной техники

2.1 Производственная санитария и гигиена труда

запись микшер сигнал передача

В соответствии с ГОСТ 12.0.002 ССБТ «Термины и определения» производственная санитария - система организационных, санитарно-гигиенических мероприятий, технических средств и методов, предотвращающих или уменьшающих воздействие на работающих вредных производственных факторов до значений, не превышающих допустимые.

В комплекс вопросов, решаемых в рамках производственной санитарии и гигиены труда, входят:

Обеспечение санитарно-гигиенических требований к воздуху рабочей зоны;

Обеспечение параметров микроклимата на рабочих местах;

Обеспечения нормативной естественной и искусственной освещенности;

Защита от шума и вибрации на рабочих местах;

Защита от ионизирующих излучений и электромагнитных полей;

Обеспечение спецпитанием, защитными пастами и мазями, спецодеждой и спец. обувью, средствами индивидуальной защиты (противогазы, респираторы и т.п.);

Обеспечение согласно норм санитарно-бытовыми помещениями и др.

Гигиена труда или профессиональная гигиена - раздел гигиены, изучающий воздействие трудового процесса и окружающей производственной среды на организм работающих с целью разработки санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических нормативов и мероприятий, направленных на создание более благоприятных условий труда, обеспечение здоровья и высокого уровня трудоспособности человека.

В условиях промышленного производства на человека нередко воздействуют низкая и высокая температура воздуха, сильное тепловое излучение, пыль, вредные химические вещества, шум, вибрация, электромагнитные волны, а также самые разнообразные сочетания этих факторов, которые могут привести к тем или иным нарушениям в состоянии здоровья, к снижению работоспособности. Для предупреждения у устранения этих неблагоприятных воздействий и их последствий проводится изучение особенностей производственных процессов, оборудования и обрабатываемых материалов (сырье, вспомогательные, промежуточные, побочные продукты, отходы производства) с точки зрения их влияния на организм работающих; санитарных условий труда (метеорологические факторы, загрязнение воздуха пылью и газами, шум, вибрация, ультразвук и др.); характера и организации трудовых процессов, изменений физиологических функций в процессе работы.

Производственная санитария - система организационных, профилактических и санитарно-гигиенических мероприятий и средств, направленных на предотвращение воздействия на рабочих вредных производственных факторов.

Трудовая деятельность может выполняться на открытом воздухе и в помещениях.

Производственные помещения - замкнутые пространства в любых зданиях и сооружениях, где в течение рабочего времени постоянно или периодически осуществляется трудовая деятельность людей в различных видах производства. Человек может осуществлять работу в различных помещениях одного или нескольких зданий и сооружений. При таких условиях труда необходимо говорить о рабочем месте или рабочей зоне.

Производственная среда рабочего помещения определяется комплексом факторов. Наличие этих факторов (вредностей) в рабочей среде может повлиять не только на состояние организма, но и на производительность, качество, безопасность труда, привести к снижению работоспособности, вызвать функциональные изменения в организме и профессиональные заболевания.

В современных условиях автоматизации труда на организм действует комплекс слабо выраженных факторов, изучение аффекта взаимодействия крайне затруднено, поэтому, промсанитария и гигиена труда решают следующие задачи:

учет влияния факторов трудовой среды на здоровье и работоспособность;

совершенствование методов оценки работоспособности и состояния здоровья;

разработка организационно-технологических, инженерных, социально-экономических мероприятий по рационализации производственной среды;

разработка профилактических и оздоровительных мероприятий;

совершенствовать методику обучения.

Температура и влажность воздуха в помещении являются важнейшими параметрами, определяющими состояние комфорта внутри помещения.

Рекомендуемые значения температуры воздуха в помещении по различным стандартам находятся в пределах 20-22Со и 22-26Со. Еще один физический параметр внутренней атмосферы, непосредственно влияющий на теплообмен организма человека - это влажность воздуха, характеризующая его насыщенность водяными парами. Так недостаток влажности, менее 20 % относительной влажности, приводит к пересыханию слизистых оболочек, вызывает кашель. А превышение уровня влажности, более 65%, приводит к ухудшению теплоотдачи при испарении пота, возникает чувство удушья. Поэтому температура должна соотноситься с уровнем влажности.

Скорость воздуха определяется в рабочей зоне помещения, т.е. там, где находятся люди, а именно в пространстве от 0,15м. от пола до 1,8м по высоте и на расстоянии не менее 0,15м от стен. Скорость воздуха в рабочей зоне рекомендуется в пределах 0,13-0,25м/с. При меньшей скорости - душновато или даже жарковато, при большей - просто сквозняк, допускать который имеет смысл только при повышении температуры нормативных значений.

Анализ условий труда

Оценка условий труда проводится по специальной методике, на основе анализа уровней вредных и опасных факторов на данном рабочем месте.

Для проведения аттестации рабочего места также необходимо комплексно оценить условия труда.

Определение класса условий труда на рабочих местах проводится с целью:

установления приоритетности оздоровительных мероприятий;

создания банка данных по существующим условиям труда;

определения выплат и компенсаций за вредные условия труда.

Вредный производственный фактор - фактор среды и трудового процесса, который может вызвать снижение работоспособности, патологию (профессиональное заболевание), привести к нарушению здоровья потомства.

Вредными могут быть:

физические факторы: температура, влажность и подвижность воздуха, неионизирующие и ионизирующие излучения, шум, вибрация, недостаточная освещенность;

химические факторы: загазованность и запыленность воздуха;

биологические факторы: болезнетворные микроорганизмы;

факторы тяжести труда: физическая статическая и динамическая нагрузка; большое количество стереотипных рабочих движений, большое число наклонов корпуса, неудобная рабочая поза;

факторы напряженности труда: интеллектуальные, сенсорные, эмоциональные нагрузки, монотонность и продолжительность работы.

Опасный производственный фактор - фактор среды и трудового процесса, который может вызвать резкое ухудшение здоровья, травму, смерть.

Это: электрический ток, огонь, нагретая поверхность, движущиеся части оборудования, избыточное давление, острые кромки предметов, высота и.т.п.).

Подобные документы

Выбор методов проектирования устройства обработки и передачи информации. Разработка алгоритма операций для обработки информации, структурной схемы устройства. Временная диаграмма управляющих сигналов. Элементная база для разработки принципиальной схемы.

курсовая работа , добавлен 16.08.2012


Устройства записи и воспроизведения информации - неотъемлемая часть ЭВМ. Процесс восстановления информации по изменениям характеристики носителя. Коэффициент детонации. Требования, предъявляемые к точности изготовления деталей механизма транспортировки.

реферат , добавлен 13.11.2010


Понятие звуковой экспликации. Особенности используемой технологии записи. Схемы расположения съемочного оборудования на съемочных площадках. Обоснование выбора оборудования. Структурная схема соединения оборудования с учетом выбранной синхронизации.

курсовая работа , добавлен 27.12.2011


Принципы построения радиосистемы "Стрелец". Модуль беспроводной передачи данных по технологии ZigBee, преимущества и недостатки его применения, принцип действия и оценка возможностей. Описание структурной и принципиальной электрической схемы устройства.

дипломная работа , добавлен 24.04.2015


Развитие носителей информации. Звукозапись и процесс записи звуковой информации с целью её сохранения и последующего воспроизведения. Музыкальные механические инструменты. Первый двухдорожечный магнитофон. Звук и основные стандарты его записи.

реферат , добавлен 25.05.2015


Методы создания передающего устройства для приемо-передающего модуля радиовысотомера. Технико-экономическое обоснование работы. Обеспечение безопасности персонала, работающего над проектом. Классификация производства по пожароопасности и взрывоопасности.

дипломная работа , добавлен 15.07.2010


Основные технические характеристики автоматизированного приемо-передающего центра. Общие сведения и принцип работы прибора. Автоматическое стопроцентное резервирование радиосредств. Способы вывода приемопередатчиков в излучение, контроль устройства.

отчет по практике , добавлен 12.02.2016


Алгоритмы цифровой обработки данных. Схема устройства светомузыкальной установки на примере микроконтроллера ATmega8. Подача, приём и обработка звукового сигнала. Разработка гальванической развязки. Копия сигнала, который подается на высоковольтную часть.

курсовая работа , добавлен 02.12.2014


Структурная схема устройства передачи данных и команд. Принцип действия датчика температуры. Преобразование сигналов, поступающих с четырех каналов. Модель устройства передачи данных. Построение кода с удвоением. Формирование кодовых комбинаций.

курсовая работа , добавлен 28.01.2015


Схема кодирования звуковой информации. Аналоговая и дискретная формы представления информации. Выделение количества уровней громкости в процессе кодирования звуковой информации. Качество двоичного кодирования звука. Расчет информационного объема.

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