Электрондық құрылғылардың дыбыстық шығысының сапасын бағалау

Кіріспе

Электрондық құрылғыдан шыққан дыбыс шығысын бағалау. Музыкалық қолданыс.

Дыбыс сапасы әдетте электрондық құрылғыдан шыққан дыбыс шығысының дәлдігін, сақталуын немесе түсініктілігін бағалау болып табылады. Сапаны объективті түрде өлшеуге болады, мысалы, құралдардың көмегімен құрылғының түпнұсқа дыбысты қаншалықты дәл қайта жасайтынын анықтау арқылы; немесе субъективті түрде өлшеуге болады, мысалы, адамдар дыбысқа қандай реакция білдіретінін немесе оның басқа дыбысқа қаншалықты ұқсас екенін бағалау арқылы. Жазбаның немесе дыбыс жазудың сапасы бірнеше факторға байланысты, соның ішінде оны жасау үшін қолданылған жабдық, жазбаны өңдеу және мастерлеу, оны ойнату үшін қолданылған жабдық, сондай-ақ оны ойнату үшін қолданылған тыңдау ортасы. Кейбір жағдайларда, теңестіру, динамикалық диапазонды қысу немесе стерео өңдеу сияқты өңдеулер түпнұсқадан айтарлықтай ерекшеленетін, бірақ тыңдаушыға көбірек ұнайтын дыбыс жасау үшін қолданылуы мүмкін. Басқа жағдайларда мақсат – дыбысты түпнұсқаға мүмкіндігінше жақын ету болуы мүмкін. Дыбыс шығару қаусыратқыштары, микрофондар, күшейткіштер немесе құлаққаптар сияқты нақты электрондық құрылғыларға қатысты дыбыс сапасы көбінесе дәлдікті білдіреді, ал жоғары сапалы құрылғылар жоғары дәлдікті қамтамасыз етеді. Мастеринг жазбалары сияқты өңдеу кезеңдеріне қатысты болғанда, абсолютті дәлдік көркемдік немесе эстетикалық мәселелерге екінші орында тұруы мүмкін. Тағы да басқа жағдайларда, мысалы, тікелей музыкалық орындауды жазу кезінде дыбыс сапасы бөлме акустикасын оңтайлы пайдалану үшін микрофондарды бөлмеде дұрыс орналастыруға қатысты болуы мүмкін.

Цифрлық аудио

Цифрлық аудио көптеген форматтарда сақталады. Ең қарапайым түрі – компрессияланбаған PCM, онда аудио белгілі бір уақыт аралығында орналастырылған квантталған аудио үлгілер тізбегі ретінде сақталады. Үлгілер бір-біріне жақын орналастырылған сайын, жоғары жиіліктерді қайта жаңғырту мүмкін болады. Үлгілеу теоремасы бойынша, кез келген жолақты шектелген сигнал (онда таза синусоидты компонент жоқ), B жолақты секундына 2B-ден астам үлгілермен толық сипаттауға болады, бұл жолақты шектелген аналогты сигналды толыққанды қалпына келтіруге мүмкіндік береді. Мысалы, адамның есту қабілеті үшін 0 және 20 кГц аралығындағы дыбыс кеңістігі үшін аудио 40 кГц-тен жоғары жиілікте үлгіленуі керек. Аналогтық сигналға айналдырудан туындайтын ультрадыбыстық жиіліктерді сүзгілеу қажеттілігіне байланысты, практикада сәл жоғары үлгі алу жиіліктері қолданылады: 44,1 кГц (CD аудио) немесе 48 кГц (DVD). PCM-де әрбір аудио үлгі уақыттың белгілі бір сәтіндегі дыбыс қысымын шектеулі дәлдікпен сипаттайды. Бұл шектеулі дәлдік кванттау қатесіне әкеледі, ол жазбаға қосылатын шудың бір түрі. Кванттау қатесін азайту үшін әрбір өлшемде үлкен үлгілердің есебінен көбірек дәлдік қолдануға болады (аудио бит тереңдігін қараңыз). Үлгіге қосылған әрбір қосымша бит кванттау қатесін шамамен 6 дБ-ға азайтады. Мысалы, CD аудио бір үлгіге 16 бит пайдаланады, сондықтан оның кванттау шуы шамамен 96 дБ-ға дейін мүмкін дыбыс қысымы деңгейінен төмен болады (толық жолақтықта есептегенде). PCM-ді сақтау үшін қажетті орын көлемі бір үлгіге биттердің санына, секундқа үлгілердің санына және арналардың санына байланысты. CD аудио үшін бұл секундына 44 100 үлгі, үлгіге 16 бит және стерео аудио үшін 2 арна, нәтижесінде секундына 1 411 200 бит. Дегенмен, бұл орынды аудионы сығыстыру арқылы айтарлықтай азайтуға болады. Аудионы сығыстыру кезінде аудио үлгілері аудио кодек арқылы өңделеді. Жоғалмайтын кодектерде аудио үлгілері қайталанатын немесе артық үлгілерді тиімді сақталатын форматқа біріктіріп, ақпаратты жоғалтпай өңделеді. Жоғалмайтын декодер бастапқы PCM-ді сапасын өзгертпей қайта жасайды. Жоғалмайтын аудио сығылымы әдетте файл мөлшерін 30-50% дейін азайтады. Көнерілі жоғалмайтын аудио кодектерге FLAC, ALAC, Monkey's Audio және басқалары жатады. Егер қосымша сығылу қажет болса, MP3, Ogg Vorbis немесе AAC сияқты жоғалтулы аудио сығылымын қолдануға болады. Бұл әдістерде жоғалмайтын сығылу әдістері психоакустика принциптерін қолдану арқылы адамның есту қабілеті үшін сезілмейтін немесе мүмкін емес бөлшектердің дәлдігін азайту арқылы жақсартылады. Бұл бөлшектерді жойғаннан кейін, файл мөлшерін айтарлықтай азайту үшін қалған бөлігіне жоғалтулы сығылу қолданылады. Сондықтан жоғалтулы аудио сығылымы файл мөлшерін 75-95% дейін азайтуға мүмкіндік береді, бірақ маңызды ақпарат қате жіберілсе, аудио сапасының төмендеуіне әкелуі мүмкін.

Digital audio is stored in many formats. The simplest form is uncompressed PCM, where audio is stored as a series of quantized audio samples spaced at regular intervals in time. As samples are placed closer together in time, higher frequencies can be reproduced. According to the sampling theorem, any bandwidth limited signal (that does not contain a pure sinusoidal component), bandwidth B, can be perfectly described by more than 2B samples per second, allowing perfect reconstruction of the bandwidth limited analog signal. For example, for human hearing bandwidth between 0 and 20 kHz, audio must be sampled at above 40 kHz. Due to the need for filtering out ultrasonic frequencies resulting from the conversion to an analog signal, in practice slightly higher sample rates are used: 44.1 kHz (CD audio) or 48 kHz (DVD). In PCM, each audio sample describes the sound pressure at an instant in time with a limited precision. The limited accuracy results in quantization error, a form of noise that is added to the recording. To reduce quantization error, more precision can be used in each measurement at the expense of larger samples (see audio bit depth). With each additional bit added to a sample, quantization error is reduced by approximately 6 dB. For example, CD audio uses 16 bits per sample, and therefore it will have quantization noise approximately 96 dB below the maximum possible sound pressure level (when summed over the full bandwidth)

The amount of space required to store PCM depends on the number of bits per sample, the number of samples per second, and the number of channels. For CD audio, this is 44,100 samples per second, 16 bits per sample, and 2 channels for stereo audio leading to 1,411,200 bits per second. However, this space can be greatly reduced using audio compression. In audio compression, audio samples are processed using an audio codec. In a lossless codec audio samples are processed without discarding information by packing repetitive or redundant samples into a more efficiently stored form. A lossless decoder then reproduces the original PCM with no change in quality. Lossless audio compression typically achieves a 30 50% reduction in file size. Common lossless audio codecs include FLAC, ALAC, Monkey's Audio and others. If additional compression is required, lossy audio compression such as MP3, Ogg Vorbis or AAC can be used. In these techniques, lossless compression techniques are enhanced by processing audio to reduce the precision of details that are unlikely or impossible for human hearing to perceive using principles from psychoacoustics. After the removal of these details, lossy compression can be applied to the remainder to greatly reduce the file size. Lossy audio compression therefore allows a 75 95% reduction in file size, but runs the risk of potentially reducing audio quality if important information is mistakenly discarded.