Цифровой звук

Содержание и основные понятия

← К оглавлению
Alterna · глава 21.1
Цифровой звук
Акустика, PCM, дискретизация, квантование, многоканальный звук, форматы и кодеки.
01
Физика звука
Как устроен звук: частота, амплитуда, диапазон слышимости
ФГОС
ОГЭ №3,4
Звуковая волна
Звук
— это механическая волна, распространяющаяся в упругой среде (воздух, вода, твёрдое тело). Источник звука колеблется, создавая чередование сжатий и разрежений воздуха. Человеческое ухо воспринимает эти колебания как звук.
Частота
— число колебаний в секунду, измеряется в герцах (Гц). Определяет высоту звука: высокая частота = высокий тон.
Амплитуда
— максимальное отклонение от положения равновесия. Определяет громкость звука. Измеряется в децибелах (дБ): 0 дБ — порог слышимости, 60 дБ — разговор, 120 дБ — болевой порог.
20 Гц
Нижняя граница слышимости (бас-гитара, орган)
20 кГц
Верхняя граница (свист, летучие мыши)
Важно
Человек слышит частоты от
20 Гц до 20 кГц
. Примеры: мужской голос ~100–250 Гц, женский ~250–400 Гц, скрипка ~200 Гц–4 кГц, писк ~4 кГц.
🎵
Интерактивная визуализация звуковой волны
Частота:
440
Гц
Амплитуда:
70
%
Сетка
Амплитуда (дБ)
Частота (Гц)
02
PCM: дискретизация и квантование
Как аналоговый сигнал превращается в цифровой
ФГОС
ФОП
ОГЭ №3,4
ЕГЭ №7
Формула объёма аудиофайла
Это расширение формулы из
главы 9.4
. Для звука формула учитывает частоту дискретизации, глубину кодирования и количество каналов:
V = R × t × i × K / 8
R
— частота дискретизации (Гц),
t
— время (с),
i
— разрядность (бит),
K
— количество каналов. Результат — в байтах.
📊
PCM-визуализация: дискретизация и квантование
Частота дискретизации:
20
отсчётов
Уровней квантования:
8
Аналоговый
Отсчёты
Квантованный
Задача: объём аудиофайла
Стереозапись длительностью 3 минуты, частота дискретизации 44 100 Гц, разрядность 16 бит. Объём = 44100 × 180 × 16 × 2 / 8 = 31 824 000 байт ≈
30.4 МБ
.
03
Частота дискретизации и теорема Найквиста
Почему CD использует 44.1 кГц и как выбирать частоту
ФГОС
ФОП
Теорема Найквиста — Котельникова
Чтобы точно восстановить аналоговый сигнал из цифрового, частота дискретизации должна быть
минимум в 2 раза выше
максимальной частоты в сигнале:
R
min
= 2 × F
max
Человек слышит до 20 кГц → минимальная частота дискретизации = 40 кГц. Для запаса используют 44.1 кГц (CD) или 48 кГц (video).
Частота
Применение
Макс. частота сигнала
Качество
8 000 Гц
Телефон, VoIP
4 кГц
Разборчивость речи
22 050 Гц
Радио, сжатое аудио
11 кГц
FM-качество
44 100 Гц
Audio CD, MP3
22.05 кГц
Полный диапазон
48 000 Гц
Видео, профессиональное
24 кГц
Студийное
96 000 Гц
Hi-Res, студия
48 кГц
Высокое разрешение
192 000 Гц
SACD, DSD
96 кГц
Ультра-Hi-Res
CD-качество
Audio CD:
44 100 Гц / 16 бит / стерео
. Битрейт = 44100 × 16 × 2 = 1 411 200 бит/с ≈ 1411 кбит/с (bitrate). Минута стерео = ~10.6 МБ без сжатия.
04
Многоканальный звук
От моно до Dolby Atmos: конфигурации акустических систем
ФГОС
ФОП
🔇 Моно (1.0)
Один канал. Применяется в радио, подкастах, телефонной связи. K = 1. Объём в 2 раза меньше стерео.
🎧 Стерео (2.0)
Два канала: L (левый) и R (правый). Стандарт для музыки, фильмов, игр. K = 2.
🔊 Квадро (4.0)
FL, FR, RL, RR. Используется в концертном звуке и старых системах домашнего кинотеатра.
🎬 5.1
FL + FR + FC (центр) + LFE (сабвуфер) + RL + RR. Стандарт домашнего кинотеатра, DVD, Blu-ray.
🎧 7.1
Добавлены боковые каналы (SL, SR) к 5.1. Используется в современных кинотеатрах и играх.
🏠 7.1.4 (Dolby Atmos)
Добавлены 4 потолочных/верхних канала. Объектно-ориентированный звук: звук как «объект» в 3D-пространстве.
🔊
Интерактивная схема акустических систем
Выберите конфигурацию
05
Аудиоформаты и кодеки
Сжатие, битрейт, сравнение форматов
ФГОС
ОГЭ №3,4
📂 WAV — несжатый PCM
Без сжатия · 1411 кбит/с (CD)
Формат Microsoft/IBM: аудиоданные хранятся как «сырой» PCM-поток. Точность 100%, но большой размер. Минута стерео 44.1 кГц/16 бит = ~10.6 МБ.
📂 FLAC — Free Lossless Audio Codec
Без потерь · ~600–900 кбит/с
Сжимает аудио без потерь ( reversible). Типичное сжатие 30–50% по сравнению с WAV. Идеален для архивов и студийной записи.
📂 MP3 — MPEG-1 Audio Layer 3
С потерями · 128–320 кбит/с
Первый массовый формат сжатия с потерями. Удаляет «несущественные» частоты (психоакустическая модель). При 128 кбит/с — потеря качества заметна при сравнении; при 320 кбит/с — большинство не слышит разницы.
📂 AAC — Advanced Audio Coding
С потерями · 128–320 кбит/с
Преемник MP3. Лучше сжатие при том же качестве (примерно на 30%). Используется в iTunes, YouTube, Spotify, Bluetooth-аудио.
📂 OGG Vorbis
С потерями · 128–320 кбит/с
Открытый свободный кодек. Качество сопоставимо с AAC, но менее распространён. Используется в играх и стриминге.
📂 DSD — Direct Stream Digital
1-бит · 2.8–11.2 МГц
Используется в SACD (Super Audio CD). Очень высокая частота дискретизации (2.8224 МГц — в 64 раза выше CD) и 1-битное квантование. «Передискретизация» из PCM.
📈
Сравнение битрейтов и размера файла
MP3 128
~1.1 МБ/мин
MP3 192
~1.6 МБ/мин
MP3 320
~2.7 МБ/мин
AAC 256
~2.1 МБ/мин
FLAC
~5 МБ/мин (lossless)
WAV
~10.6 МБ/мин
Одна минута стерео, 44.1 кГц/16 бит. Сравните потери при 128 кбит/с и качество lossless.
🌊
Спектрограмма: сравнение форматов
Выбор формата
Архив / студия:
FLAC (lossless, сжатие 30–50%).
Музыка для плеера:
AAC 256 или MP3 320.
Веб / стриминг:
AAC 128 или OGG.
Телефон / VoIP:
Opus или AMR (8–64 кбит/с).
06
Аудиоинтерфейсы и разъёмы
Как звук попадает в компьютер и обратно: аналоговые, цифровые и сетевые интерфейсы
ФГОС
ФОП
ОГЭ №7
🔌 3.5 мм (Mini-Jack)
Аналоговый стерео: TRS (tip-ring-sleeve) — левый, правый, земля. Стандарт для наушников, колонок, микрофонов. Не защищён от помех, длина кабеля до ~3 м.
🎤 XLR (3-pin)
Балансный аналоговый: 3 контакта (hot, cold, ground). Симметричная передача — помеха вычитается. Длина до 100 м. Стандарт для студийных микрофонов и профессиональной аппаратуры.
🎸 Jack 6.35 мм (TRS/TS)
Увеличенный Mini-Jack: TS (mono) или TRS (stereo/balanced). Используется в гитарных усилителях, микшерах, профессиональных наушниках.
光纤 TOSLINK
Оптоволоконный цифровой: передаёт S/PDIF (стерео PCM до 96 кГц/24 бит) или многоканальный Dolby/DTS. Не подвержен ЭМ-помехам, длина до 10 м.
📡 S/PDIF (коаксиальный)
Цифровой через коаксиальный RCA-кабель: 75 Ом, до 96 кГц/24 бит. Альтернатива TOSLINK, но электрическая — подвержен помехам.
🔗 USB Audio
Цифровой через USB: USB 1.1 (16 бит/48 кГц), USB 2.0 (24 бит/192 кГц), USB 3.0. Классы USB Audio 1.0/2.0/3.0. Питание от шины (48 мА). Стандарт для внешних声卡.
📊
Сравнение интерфейсов
Интерфейс
Тип
Макс. частота
Каналы
Длина кабеля
Применение
3.5 мм
Аналог
—
2 (стерео)
~3 м
Наушники, колонки
XLR
Баланс
—
1 (mono)
100 м
Микрофоны, студии
Jack 6.35
Аналог
—
1–2
~10 м
Гитары, микшеры
TOSLINK
Цифр (оптика)
96 кГц/24 бит
2–8
10 м
Home theatre, DAC
S/PDIF
Цифр (коакс)
96 кГц/24 бит
2–8
10 м
AV-ресиверы
USB Audio
Цифр (USB)
192 кГц/24 бит
до 128
5 м (USB 2.0)
Внешние声卡
HDMI ARC
Цифр
192 кГц/24 бит
до 8
15 м
ТВ, звуковые панели
Аналог vs Цифр
Аналоговые интерфейсы (3.5 мм, XLR, Jack) передают непрерывный электрический сигнал — качество зависит от кабеля и по