ЗВУКОВА СИСТЕМА, височинна (интервална) организация на музикални звуци, основана на един принцип. Звуковата система е специфично въплъщение на режим, музикална структура, т.е. музикално-семантични връзки между звуците като елементи на структурата на височината (за разлика от мащаба, мащаба). Концепцията за звукова система не трябва да се бърка с по-широката концепция за музикална система, която включва не само височината на музиката, но и метър и ритъм, текстура, музикална форма и т.н.

Звуковата система отразява логическата съгласуваност и подреденост на музикалното мислене на определен етап от неговото развитие. Историческата еволюция на звуковата система има определена посока: в хода на тази еволюция звуковата диференциация в крайна сметка става по-усъвършенствана, съставът на звуците, участващи в звуковата система, се увеличава и връзките между тях се укрепват и опростяват (като същевременно формират разклонена йерархия от връзки). Звуковата система в правилния смисъл беше предшествана от етапа на примитивно глисиране (ekmeliki), от което референтните звуци едва започваха да се появяват. Основната форма на звуковата система е пеенето на тон-основа (вижте Стоене и незасядане) с тонове, съседни отгоре или отдолу:

Исторически също така е естествено да се разшири интервалното пространство с едновременно опипване за най-близката втора опора; този процес доведе до „ерата на кварта”: крайните тонове, разделени с кварта, образуваха празнина във височината, различно запълнена с трихорди, след това с тетрахорди (илюстрация a). По-нататъшните етапи от еволюцията на звуковата система са свързани с попълването на квинта (пентакорди) и октава (октакорди). Типологически по-ранната звукова система е пентатонична (илюстрация b), по-късните са диатонични (илюстрация c), миксодиатонични (илюстрация d). Вижте също старогръцки режими, Видове интервални системи.

Появата на полифонията доведе до дълбока вътрешна реорганизация на звуковата система в ново измерение, когато елементът на системата стана не отделен звук, а съзвучие (в крайна сметка акорд). Съгласната триада, превръщайки се в централен елемент на звуковата система, се възпроизвежда на всички нива; нейният характер (мажор, минор) се простира върху цялата система, превръщайки петата звукова система в пета-терцова звукова система (вижте статията Диатоника). Принципът на звуковата система е действието на тоналните функции (виж Доминанта, Медиана, Субдоминанта, Тоника), а системата от 24 тоналности предизвиква прехода от звукова система с чист тон към темперирана (виж Темперамент).

На тази основа е възможен енхармонизъм и изграждане на симетрични ладове. Развитието на звуковата система в музиката на 20-ти и 21-ви век също е свързано с равен темперамент: преходът от 12 стъпки (виж Хроматизъм) към 12-тона (виж Додекафония), възобновяването на микрохроматиката на ново ниво.

Лит.: Холопов Ю. Н. За еволюцията на европейската тонална система // Проблеми на модата. М., 1972; известен още като Променящи се и непроменени в еволюцията на музикалното мислене // Проблеми на традицията и иновациите в съвременната музика. М., 1982. Виж също литературата по чл. Хармония.

Озвучаванеперсонален компютър се използва за възпроизвеждане на звукови ефекти и реч, придружаващи възпроизвежданата видео информация, и включва:

• модул за запис/възпроизвеждане;
• синтезатор;
• интерфейсен модул;
• смесител;
• озвучителна система.

Компонентите на звуковата система (с изключение на системата за високоговорители) са структурно проектирани под формата на отделна звукова карта или частично изпълнени под формата на микросхеми на дънната платка на компютъра.

По правило сигналите на входа и изхода на модула за запис/възпроизвеждане са в аналогова форма, но обработката на аудиосигналите се извършва в цифрова форма. Следователно основните функции на модула за запис/възпроизвеждане се свеждат до аналогово-цифрово и цифрово-аналогово преобразуване.

За да направите това, входният аналогов сигнал се подлага на импулсно-кодова модулация (PCM), чиято същност е да дискретизира времето и да представи (измери) амплитудите на аналоговия сигнал в дискретни моменти във времето под формата на двоични числа. Необходимо е да изберете честотата на дискретизация и битовата дълбочина на двоичните числа, така че точността на аналогово-цифровото преобразуване да отговаря на изискванията за качество на възпроизвеждане на звука.

Според теоремата на Котелников, ако стъпката на дискретизация по време, разделяща съседни проби (измерени амплитуди), не надвишава половината от периода на трептене на най-високия компонент в честотния спектър на преобразувания сигнал, тогава дискретизацията по време не въвежда изкривявания и не води до информация загуба. Ако за висококачествен звук е достатъчно да се възпроизведе спектър с ширина 20 kHz, тогава честотата на дискретизация трябва да бъде най-малко 40 kHz. Аудиосистемите за персонален компютър (PC) обикновено приемат честота на дискретизация от 44,1 или 48 kHz.

Ограниченият капацитет на двоичните числа, представящи амплитудите на сигнала, определя вземането на проби от величините на сигнала. В повечето случаи звуковите карти използват 16-битови двоични числа, което съответства на 216 нива на квантуване или 96 dB. Понякога се използва 20- или дори 24-битово аналогово-цифрово преобразуване.

Очевидно е, че подобряването на качеството на звука чрез увеличаване на честотата на дискретизация f и броя k на нивата на квантуване води до значително увеличаване на обема S на получените цифрови данни, тъй като

S = f t log2k / 8,

където t е продължителността на звуковия фрагмент, S, f и t се измерват съответно в MB, MHz и секунди. Със стерео звук обемът на данните се удвоява. По този начин, при честота от 44,1 kHz и 216 нива на квантуване, количеството информация за представяне на стерео звуков фрагмент с продължителност 1 минута е около 10,6 MB. За да се намалят изискванията както за капацитета на паметта за съхраняване на аудио информация, така и за пропускателната способност на каналите за предаване на данни, се използва компресиране на информация.

Интерфейсният модул се използва за предаване на цифровизирана аудио информация към други компютърни устройства (памет, система от високоговорители) чрез компютърни шини. Честотната лента на шината ISA по правило не е достатъчна, така че се използват други шини - PCI, специален интерфейс за музикален инструмент MIDI или някои други интерфейси.

С помощта на миксер можете да смесвате звукови сигнали, създавайки полифоничен звук, да добавяте музикален съпровод към речта, придружаваща мултимедийни фрагменти и т.н.

Синтезаторът е предназначен за генериране на звукови сигнали, най-често за имитиране на звука на различни музикални инструменти. За синтез се използват честотна модулация, вълнови таблици и математическо моделиране. Изходните данни за синтезаторите (нотни кодове и видове инструменти) обикновено се представят в MIDI формат (MID разширение в имената на файловете). По този начин, когато се използва методът на честотна модулация, се контролира честотата и амплитудата на сумираните сигнали от главния генератор и генератора на обертонове. Съгласно метода на вълновата таблица, резултантният сигнал се получава чрез комбиниране на дигитализирани звукови проби, получени от реални музикални инструменти. При метода на математическото моделиране вместо експериментално получени проби се използват математически модели на звуци.

Звуковата система за компютър под формата на звукова карта се появява през 1989 г., като значително разширява възможностите на компютъра като техническо средство за информатизация.

PC звукова система -набор от софтуер и хардуер, който изпълнява следните функции:

запис на аудио сигнали, идващи от външни източници, като микрофон или магнетофон, чрез преобразуване на входни аналогови аудио сигнали в цифрови и след това съхраняването им на твърд диск;

възпроизвеждане на записани аудио данни с помощта на външна високоговорителна система или слушалки (слушалки);

възпроизвеждане на аудио CD;

смесване (смесване) при запис или възпроизвеждане на сигнали от няколко източника;

едновременен запис и възпроизвеждане на аудио сигнали (режим Пълна Дуплекс);

обработка на аудио сигнали: редактиране, комбиниране или разделяне на фрагменти от сигнала, филтриране, промяна на нивото му;

обработка на аудио сигнала в съответствие с обемни (триизмерни) алгоритми 3 г- Звук) звук;

генериране на звук на музикални инструменти, както и човешка реч и други звуци с помощта на синтезатор;

управление на външни електронни музикални инструменти чрез специален MIDI интерфейс.

Звуковата система на компютъра е структурно представена от звукови карти, инсталирани в слот на дънната платка или интегрирани в дънната платка или разширителна карта на друга компютърна подсистема. Индивидуалните функционални модули на звуковата система могат да бъдат изпълнени под формата на дъщерни платки, инсталирани в съответните конектори на звуковата карта.

Класическа звукова система, както е показано на фиг. 5.1, съдържа:

Модул за запис и възпроизвеждане на звук;

модул синтезатор;

интерфейсен модул;

смесителен модул;

озвучителна система.

Първите четири модула обикновено се инсталират на звуковата карта. Освен това има звукови карти без модул за синтезатор или модул за цифрово аудио запис/възпроизвеждане. Всеки от модулите може да бъде направен или под формата на отделна микросхема, или да бъде част от многофункционална микросхема. Така чипсетът на звуковата система може да съдържа няколко или един чип.

Дизайнът на компютърните звукови системи претърпява значителни промени; Има дънни платки с инсталиран чипсет за аудио обработка.

Въпреки това предназначението и функциите на модулите на съвременната звукова система (независимо от нейния дизайн) не се променят. Когато се разглеждат функционалните модули на звуковата карта, обичайно е да се използват термините „компютърна звукова система“ или „звукова карта“.

2. Модул за запис и възпроизвеждане

Модулът за запис и възпроизвеждане на аудио системата извършва аналогово-цифрови и цифрово-аналогови преобразувания в режим на софтуерно предаване на аудио данни или предаване по DMA канали (Директен памет Достъп - канал за директен достъп до паметта).

Звукът, както е известно, е надлъжна вълна, която се разпространява свободно във въздуха или друга среда, така че звуковият сигнал непрекъснато се променя във времето и пространството.

Звукозаписът е съхраняването на информация за колебанията на звуковото налягане по време на записа. В момента се използват аналогови и цифрови сигнали за запис и предаване на звукова информация. С други думи, аудио сигналът може да бъде в аналогова или цифрова форма.

Ако при запис на звук се използва микрофон, който преобразува непрекъснат във времето звуков сигнал в непрекъснат електрически сигнал, се получава звуков сигнал в аналогова форма. Тъй като амплитудата на звуковата вълна определя силата на звука, а нейната честота определя височината на звуковия тон, за да се поддържа надеждна информация за звука, напрежението на електрическия сигнал трябва да бъде пропорционално на звуковото налягане и неговата честота трябва да съответства на честотата на колебанията на звуковото налягане.

В повечето случаи звуковият сигнал се подава на входа на звуковата карта на компютъра в аналогова форма. Поради факта, че компютърът работи само с цифрови сигнали, аналоговият сигнал трябва да се преобразува в цифров. В същото време системата от високоговорители, инсталирана на изхода на звуковата карта на компютъра, възприема само аналогови електрически сигнали, следователно, след обработка на сигнала с помощта на компютър, е необходимо да преобразувате цифровия сигнал в аналогов.

Аналогово към цифрово преобразуванепредставлява преобразуване на аналогов сигнал в цифров и се състои от следните основни етапи: дискретизация, квантуване и кодиране. Веригата за аналогово-цифрово преобразуване на аудио сигнал е показана на фиг. 5.2.

Преданалоговият аудио сигнал се подава към аналогов филтър, който ограничава честотната лента на сигнала.

Дискретизацията на сигнала се състои от дискретизация на аналогов сигнал с дадена периодичност и се определя от честотата на дискретизация. Освен това честотата на дискретизация трябва да бъде не по-малка от два пъти честотата на най-високия хармоник (честотен компонент) на оригиналния аудио сигнал. Тъй като хората могат да чуват звуци в честотния диапазон от 20 Hz до 20 kHz, максималната честота на семплиране на оригиналния аудио сигнал трябва да бъде най-малко 40 kHz, т.е. пробите трябва да се вземат 40 000 пъти в секунда. Поради това повечето модерни компютърни аудио системи имат максимална честота на аудио дискретизация от 44,1 или 48 kHz.

Амплитудното квантуване е измерването на моментните стойности на амплитудата на времево-дискретен сигнал и преобразуването му в дискретно време и амплитуден сигнал. На фиг. Фигура 5.3 показва процеса на квантуване по ниво на аналогов сигнал, с моментни амплитудни стойности, кодирани като 3-битови числа.

Аналогово-цифровото преобразуване се извършва от специално електронно устройство - аналогово-цифрово преобразуванетелеком(ADC), при който дискретни сигнални проби се преобразуват в поредица от числа. Полученият цифров поток от данни, т.е. Сигналът включва както полезни, така и нежелани високочестотни смущения, за чието филтриране получените цифрови данни се пропускат през цифров филтър.

Цифрово-аналогово преобразуванеКато цяло, това се случва на два етапа, както е показано на фиг. 5.4. На първия етап се извличат сигнални проби от цифровия поток от данни с помощта на цифрово-аналогов преобразувател (DAC), последвано от честотата на семплиране. На втория етап се формира непрекъснат аналогов сигнал от дискретни проби чрез изглаждане (интерполация) с помощта на нискочестотен филтър, който потиска периодичните компоненти на спектъра на дискретния сигнал.

Записването и съхраняването на аудио сигнал в цифрова форма изисква голямо количество дисково пространство. Например, 60-секунден стерео аудио сигнал, цифровизиран при честота на дискретизация от 44,1 kHz с 16-битово квантуване, изисква около 10 MB място за съхранение на твърдия диск.

За да се намали количеството цифрови данни, необходими за представяне на аудио сигнал с дадено качество, се използва компресия, която се състои в намаляване (броя на семплите и нивата на квантуване или броя на битовете, аз подстригване за един брой.

Такива методи за кодиране на аудио данни с помощта на специални устройства за кодиране позволяват да се намали обемът на информационния поток до почти 20% от първоначалния. Изборът на метод за кодиране при запис на аудио информация зависи от набора от програми за компресиране - кодеци (кодиране-декодиране), доставени със софтуера на звуковата карта или включени в операционната система.

Изпълнявайки функциите на аналогово-цифрово и цифрово-аналогово преобразуване на сигнала, модулът за цифров аудио запис и възпроизвеждане съдържа ADC, DAC и контролен блок, които обикновено са интегрирани в един чип, наричан още кодек. Основните характеристики на този модул са: честота на семплиране; тип и капацитет на АЦП и ЦАП; метод за кодиране на аудио данни; възможност за работа в Пълна Дуплекс.

Честотата на дискретизация определя максималната честота на сигнала, който се записва или възпроизвежда. За запис и възпроизвеждане на човешка реч са достатъчни 6 - 8 kHz; музика с ниско качество - 20 - 25 kHz; За да се осигури висококачествен звук (аудио CD), честотата на семплиране трябва да бъде поне 44 kHz. Почти всички звукови карти поддържат запис и възпроизвеждане на стерео аудио при честота на дискретизация от 44,1 или 48 kHz.

Битовата дълбочина на ADC и DAC определя битовата дълбочина на цифровия сигнал (8, 16 или 18 бита). По-голямата част от звуковите карти са оборудвани с 16-битови ADC и DAC. Такива звукови карти теоретично могат да бъдат класифицирани като Hi-Fi, които трябва да осигурят звук със студийно качество. Някои звукови карти са оборудвани с 20- и дори 24-битови ADC и DAC, което значително подобрява качеството на запис/възпроизвеждане на звук.

Пълна Дуплекс (пълен дуплекс) - режим на предаване на данни по канал, според който звуковата система може едновременно да получава (записва) и предава (възпроизвежда) аудио данни. Въпреки това, не всички звукови карти поддържат напълно този режим, тъй като не осигуряват високо качество на звука при интензивен обмен на данни. Такива карти могат да се използват за работа с гласови данни в Интернет, например по време на телеконференции, когато не се изисква високо качество на звука.

Взаимодействието на човек с компютър трябва преди всичко да бъде взаимно (затова е общуване). Реципрочността от своя страна осигурява възможност за комуникация както между човек и компютър, така и между компютър и човек. Безспорен факт е, че визуалната информация, допълнена със звук, е много по-ефективна от обикновеното визуално въздействие. Опитайте се, запушвайки ушите си, да говорите с някого поне за минута; съмнявам се, че ще получите голямо удоволствие, както и вашият събеседник. Въпреки това, докато много ортодоксални програмисти/дизайнери все още не искат да признаят, че звуковото въздействие може да играе ролята не само на сигнално устройство, но и на информационен канал, и съответно, поради невъзможност и/или нежелание, те не използват възможността на невизуална комуникация между човек и компютър в своите проекти, но дори те никога не гледат телевизия без звук. В момента всеки голям проект, който не е оборудван с мултимедийни инструменти (по-нататък под думата „мултимедийни инструменти“ ще разбираме предимно набор от хардуерни/софтуерни инструменти, които допълват традиционните визуални начини за взаимодействие на човека с компютър) е обречен на провал .

ОСНОВНИ МЕТОДИ НА ЗВУЧВАНЕ

Има много начини да накарате компютъра да говори или да играе.

1. Цифрово-аналогово (D/A) преобразуване. Всеки звук (музика или реч) се съдържа в паметта на компютъра в цифрова форма (под формата на проби) и с помощта на DAC се трансформира в аналогов сигнал, който се подава към усилвателно оборудване и след това към слушалки, високоговорители, и т.н.

2. Синтез. Компютърът изпраща информация за музикални ноти към звуковата карта, а картата я преобразува в аналогов сигнал (музика). Има два метода за синтез:

а) Синтез с честотна модулация (FM), при който звукът се възпроизвежда от специален синтезатор, който работи върху математическото представяне на звуковата вълна (честота, амплитуда и т.н.) и от съвкупността от такива изкуствени звуци, почти всеки необходим звук се създава.

Повечето системи, оборудвани с FM синтез, показват много добри резултати при възпроизвеждане на "компютърна" музика, но опитът да се симулира звук на живи инструменти не работи много добре. Недостатъкът на FM синтеза е, че с негова помощ е много трудно (почти невъзможно) да се създаде наистина реалистична инструментална музика, с голямо присъствие на високи тонове (флейта, китара и др.). Първата звукова карта, която използва тази технология, беше легендарната Adlib, която използва чип за синтез Yamaha YM3812FM за тази цел. Повечето съвместими с Adlib карти (SoundBlaster, Pro Audio Spectrum) също използват тази технология, само на други по-модерни типове чипове, като например Yamaha YMF262 (OPL-3) FM.

б) синтез с помощта на вълнова таблица (синтез на Wavetable), с този метод на синтез даден звук се „изтегля“ не от синусите на математическите вълни, а от набор от действително изразени инструменти - проби. Пробите се записват в RAM или ROM на звуковата карта. Специален звуков процесор извършва операции върху пробите (използвайки различни видове математически трансформации, височината и тембърът се променят, звукът се допълва със специални ефекти).

Тъй като семплите са цифровизация на реални инструменти, те правят звука изключително реалистичен. Доскоро тази техника се използваше само в хай-енд инструменти, но сега става все по-популярна. Пример за популярна карта, използваща WS Gravis Ultra Sound (GUS).

3. MIDI. Компютърът изпраща специални кодове към MIDI интерфейса, всеки от които показва действие, което MIDI устройството (обикновено синтезатор) трябва да извърши (общо) MIDI е основният стандарт за повечето звукови карти. Звуковата карта самостоятелно интерпретира изпратените кодове и ги свързва със звукови сигнали (или пачове), съхранени в паметта на картата. Броят на тези пачове в стандарта GM е 128. На PC-съвместими компютри исторически е имало два MIDI интерфейса: UART MIDI и MPU-401. Първият е внедрен в картите на SoundBlaster, вторият е използван в ранните модели на Roland.

ЗВУКОВИ ВЪЗМОЖНОСТИ НА СЕМЕЙСТВОТО IBM PC

Още в първите модели на IBM PC имаше вграден високоговорител, който обаче не беше проектиран за точно възпроизвеждане на звука: не осигуряваше възпроизвеждане на всички честоти на звуковия диапазон и нямаше контроли за силата на звука. И въпреки че компютърният високоговорител е запазен във всички клонинги на IBM до днес, това е по-скоро почит към традицията, отколкото жизненоважна необходимост, тъй като високоговорителят никога не е играл сериозна роля в комуникацията между човек и компютър.

Но вече в модела PCjr се появи специален звуков генератор TI SN76496A, който може да се счита за предвестник на съвременните звукови процесори. Изходът на този звуков генератор можеше да бъде свързан към стерео усилвател, а самият той имаше 4 гласа (не е съвсем правилно твърдение - всъщност чипът TI имаше четири независими звукови генератора, но от гледна точка на програмиста това беше един чип с четири независими канала). И четирите гласа имаха независим контрол на силата на звука и честотата. Въпреки това, поради маркетингови грешки, моделът PCjr така и не стана широко разпространен, беше обявен за необещаващ, беше спрян и поддръжката за него беше преустановена. От този момент нататък IBM вече не оборудва своите компютри със собствен дизайн на мястото, където звуковите карти са заели твърдо пазара.

PC звукова система е комплекс от софтуер и хардуер, който изпълнява следните функции:

В структурно отношение компютърната звукова система са звукови карти, инсталирани в слот или интегрирани в дънната платка или разширителна карта на друга компютърна подсистема.

Класическа компютърна звукова система Съдържа:

• модул за запис и възпроизвеждане на звук;
• модул синтезатор;
• интерфейсен модул;
• смесителен модул;
• озвучителна система.

Първите четири модула обикновено се инсталират на звуковата карта. Всеки от модулите може да бъде направен под формата на микросхема или да бъде част от многофункционална микросхема.

Диаграма PC звукова система

Фигура - Структура на аудио подсистемата на компютъра

1. Модул за запис/възпроизвеждане извършва аналогово-цифрови и цифрово-аналогови преобразувания в режим на софтуерно предаване на аудио данни по DMA канали ( Директен памет Достъп– канал за директен достъп до паметта).
2. Модул синтезатор ви позволява да генерирате почти всякакви звуци, включително звука на истински музикални инструменти.

Фигура 2 – Диаграма на съвременен синтезатор

Звукът се създава по следния начин. Цифровото устройство генерира т. нар. възбуждащ сигнал със зададена височина, който трябва да има спектрални характеристики, близки до тези на симулирания музикален инструмент. След това сигналът отива към филтър, който симулира амплитудно-честотната характеристика на този инструмент. Сигналът на амплитудната обвивка на същия инструмент се подава към другия вход. След това наборът от сигнали се обработва, за да се получат специални звукови ефекти (ехо и др.). След това се извършва цифрово-аналогово преобразуване и сигналът се филтрира с помощта на нискочестотен филтър (LPF).

Основни характеристики на синтезаторния модул:

• метод за синтез на звук : базирани на честотна модулация, базирани на вълнови таблици, базирани на физическа модулация;
• капацитет на паметта ;
• възможност за хардуерна обработка на сигнала за създаване на звукови ефекти;
• полифония – максимален брой едновременно възпроизвеждани звукови елементи.

1. Интерфейсен модул Осигурява обмен на данни между озвучителната система и други външни и вътрешни устройства.

1. Смесителен модул звуковата карта прави:

• превключване (свързване/изключване) на източници и приемници на аудио сигнали, както и регулиране на нивото им;
• смесване няколко звукови сигнала и регулиране на нивото на получения сигнал.

Ключови характеристики:

• брой смесени сигнали на канала за възпроизвеждане;
• регулиране на нивото на сигнала във всеки смесен канал;
• регулиране на нивото на общия сигнал;
• изходна мощност на усилвателя;
• наличие на конектори за свързване на външни и вътрешни приемници/източници на аудио сигнали.

Софтуерът за управление на миксера се извършва или с помощта на инструменти на Windows, или с помощта на специален софтуер.