stoxoi151.jpg


Τα ηχητικά κύματα διαδίδονται – χρησιμοποιώντας ως μέσο τον αέρα - με τις μεταβολές της πίεσης (του αέρα) σε σχέση με το χρόνο. Όσο μεγαλύτερη είναι η μεταβολή της πίεσης τόσο αυξάνει η ένταση και όσο πιο γρήγορη είναι η μεταβολή της πίεσης τόσο αυξάνει η συχνότητα και ο ήχος γίνεται πιο οξύς. Αυτές οι αλλαγές του πλάτους (ένταση) και της συχνότητας (τόνος) είναι οι δύο βασικοί παράγοντες του ήχου. Άλλες συνθήκες όπως ο περιβάλλον χώρος (για παράδειγμα το δωμάτιο) και η πηγή του ήχου, συμβάλουν στη μορφοποίηση του χαρακτήρα του ήχου, επηρεάζοντας το πλάτος και τη συχνότητα που είναι τα δύο βασικά στοιχεία που μας ενδιαφέρουν.

louder_softer.jpg
Το πλάτος (amplitude) επηρεάζει την ένταση (volume) του ήχου. Όσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος τόσο πιο δυνατός (louder) είναι ο ήχος.

Πηγή: Physics-Sound
low_high_pitch.jpg
H συχνότητας (frequency) καθορίζει τον τόνο (pitch) στον ήχο. Επηρεάζει επίσης το μήκος κύματος (wavelength).

photodentro_volume_pitch.jpg
Πηγή: Φωτόδεντρο-Ο ήχος είναι κύμα


Αναλογική και ψηφιακή ηχογράφηση

analog.gif
Πηγή: Digital Audio: Fundamentals
Στην αναλογική ηχογράφηση, καταγράφονται οι συνεχείς μεταβολές του αναλογικού ηχητικού σήματος. Για παράδειγμα, οι μεταβολές της πίεσης του αέρα που διεγείρουν τη μεμβράνη ενός μικροφώνου, μετατρέπονται σε μεταβαλλόμενη ηλεκτρική τάση. Οι μεταβολές στην τάση (electrical voltage variations) αντιπροσωπεύουν το πλάτος και η ταχύτητα των μεταβολών αντιπροσωπεύει τη συχνότητα και μπορούν να καταγράφούν σε ένα μέσο, όπως η μαγνητική ταινία. Στην αναπαραγωγή, μια συσκευή εξόδου (για παράδειγμα μεγάφωνο ή ακουστικά) μετατρέπει τη μεταβαλλόμενη ηλεκτρική τάση της πηγής (μαγνητική ταινία) σε μεταβολή της πίεσης του αέρα (ηχητικό κύμα).
signalpath.jpg
Πηγή: An Introduction to Digital Audio
Analogue_Digital_Conversion.png
Πηγή: What is digital audio?
Πως όμως μπορεί να γίνει ψηφιακή ηχογράφηση με το μικρόφωνο;Η ψηφιοποίηση του αναλογικού σήματος που μας δίνει το μικρόφωνο, γίνεται με ειδικά ολοκληρωμένα κυκλώματα που λέγονται αναλoγοψηφιακοί μετατροπείς (Analog to Digital Converter, ADC). Ο ήχος από αναλογικός, μετατρέπεται σε ψηφιακό, και αφού αποθηκευτεί (digital storage), μπορεί να επεξεργαστεί και να μεταφερθεί ή να αναπαραχθεί. Η αντίστροφη διαδικασία (αναπαραγωγή) γίνεται με χρήση ενός αντίστοιχου ολοκληρωμένου κυκλώματος που λέγεται ψηφιοαναλογικός μετατροπέας (Digital to Analog Converter, DAC), ώστε το μεγάφωνο να αναπαράγει τον ήχο.Sound-ADC-DAC.svg.png

Πηγή: Digital audio - Wikipedia



Η διαδικασία που ακολουθεί ένα ADC είναι η ακόλουθη:

analog_to_digital.jpg
Πηγή: Σχ. Βιβλίο-Τεχνολογία Υπολογιστικών Συστημάτων & Λειτουργικά Συστήματα

Δειγματοληψία (sampling)

Στο στάδιο αυτό λαμβάνονται δείγματα από το αναλογικό σήμα σε τακτά χρονικά διαστήματα. Από το άπειρο πλήθος τιμών του συνεχούς αναλογικού σήματος, κρατάμε ένα πεπερασμένο σύνολο τιμών σε διακριτές χρονικές στιγμές.
Ο ρυθμός δειγματοληψίας (Sampling Rate, SR) είναι ο αριθμός των δειγμάτων ανά δευτερόλεπτο, μετριέται σε KHz και καθορίζει την ποιότητα του σήματος. Σύμφωνα με το θεώρημα Nyquist-Shannon, η συχνότητα δειγματοληψίας πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια από τη μέγιστη συχνότητα (fδειγμ>=fmax) που περιέχεται στο σήμα (ώστε ο ψηφιακός ήχος να έχει παρόμοια ποιότητα με τον αναλογικό).

Καθώς στους ανθρώπους, το ακουστικό φάσμα (περιοχή ακουστών συχνοτήτων) εκτείνεται κατά προσέγγιση από τα 20 Hz έως τα 20 KHz (20.000 Hz), το SR πρέπει να είναι τουλάχιστον 40000 Ηz. Στο CD ο ρυθμός δειγματοληψίας είναι 44,1 KHz, δηλαδή γίνεται μια μέτρηση του πλάτους του σήματος 44100 φορές το δευτερολέπτο.

waveform_digital.png
Waveform_sample_rates.png
Σύγκριση χαμηλού ρυθμού δειγματοληψίας με υψηλό ρυθμό δειγματοληψίας
Πηγή: Digital Audio Fundamentals - Audacity Manual
Το σήμα που προκύπτει με αυτό τον τρόπο, αποτελείται από ένα σύνολο παλμών σταθερής χρονικής διάρκειας, οι οποίοι έχουν μεταβλητό πλάτος ανάλογα με τις τιμές του αρχικού σήματος (άπειρες πιθανές τιμές) και είναι γνωστό ως Διαμόρφωση Πλάτους Παλμών (Pulse Amplitude Modulation, PAM).
audio_sampling_rates.jpg

Κβάντιση (Quantization)

To δεύτερο στάδιο είναι η κβάντιση, δηλαδή η αντιστοίχιση (στρογγυλοποίηση) κάθε δείγματος, στην κοντινότερη τιμή από ένα πεπερασμένο πλήθος από προκαθορισμένες στάθμες. Με τον τρόπο αυτό, επιβάλλουμε διακριτές τιμές πλάτους για κάθε δείγμα, δηλαδή περιορίζουμε τις άπειρες πιθανές τιμές του πλάτους. Mετά το πέρας της κβάντισης το σήμα είναι πλέον ψηφιακό (αλλά όχι απαραίτητα δυαδικό).

Pcm.svg.png
waveform_sample_formats.png
2bit_quantization.jpg

Κωδικοποίηση

Το τελικό στάδιο για την ψηφιοποίηση ενός αναλογικού σήματος είναι η κωδικοποίηση, δηλαδή η αντιστοίχιση κάθε διακριτής στάθμης πλάτους με ένα δυαδικό αριθμό, ώστε να είναι δυνατή η μεταφορά, επεξεργασία και αποθήκευση του σήματος σε υπολογιστικά συστήματα. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος κωδικοποίησης, είναι η παλμοκωδική διαμόρφωση (Pulse Code Modulation, PCM). Ο αριθμός των δυαδικών ψηφίων (bit) που διατίθενται για την αποθήκευση κάθε στάθμης καλείται εύρος δείγματος (sample width ή bit depth).
BitGraph.png
Πηγή: Digital audio
pcm02.gif
Το εύρος δείγματος καθορίζει το πλήθος των σταθμών κβάντισης. Για παράδειγμα, ένα ηχητικό σήμα με εύρος δείγματος 16 bit (ποιότητα CD) μπορεί να περιέχει 65.536 (=216) στάθμες.

Οι τιμές που προκύπτουν από το στάδιο της κωδικοποίησης, μπορούν πλέον να αποθηκευτούν δημιουργώντας έτσι ένα αρχείο ήχου. Μπορούμε να έχουμε μια αρχική εκτίμηση του μεγέθους του αρχείου (ασυμπίεστου) από τον παρακάτω τύπο:
Μέγεθος (byte) = [Κανάλια (1 ή 2) x Ρυθμός δειγματοληψίας (Hz) x Εύρος Δείγματος (bit) x Διάρκεια (sec)] / 8
Έτσι, για ηχογράφηση ψηφιακού στερεοφωνικού ήχου επιπέδου CD, διάρκειας 5 λεπτών, με ρυθμό δειγματοληψίας 44.1 ΚΗz και εύρος δείγματος 16 bits, απαιτείται αποθηκευτικός χώρος περίπου 52,92 ΜΒ, .

photodentro_sound.jpg
Φωτόδεντρο: Δειγματοληψία ήχου


Δραστηριότητες
  • Στο μαθησιακό αντικείμενο Φωτόδεντρο: Δειγματοληψία ήχου (http://goo.gl/EQn8AK), μεταβάλλοντας τις παραμέτρους της δειγματοληψίας, θα παρατηρήσεις την κυματομορφή και το μέγεθος του αρχείου.
  • Φύλλο Εργασίας Α.4.1.Μ1 Πολυμέσα-Ήχος (σελ. 27, 28), Πληροφορική Α’ Λυκείου, Παιδαγωγικό Ινστιτούτο Κύπρου (2014) (ttp://goo.gl/bpOhQO)




ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ - ΑΝΑΦΟΡΕΣ- An Introduction to Digital Audio (Ανακτήθηκε 16/09/2015 από http://goo.gl/TNUXDo)- Αρβανίτης, Ν., Αναστασόπουλος, Γ., Μπελεσιώτης Β., Σγούρος, Ν., Σωτήρχος, Σ., Παναγιωτόπουλος, Θ. (2000) Εφαρμογές Πολυμέσων, Παιδαγωγικό Ινστιτούτο, Αθήνα 2000- Μούζας, Α. (2006). Ψηφιακός ήχος και ...μύθος (Ανακτήθηκε 16/09/2015 από http://goo.gl/A5Ci28)- Παπακωνσταντίνου, Γ, Τσανάκας, Π., Κοζύρης, Ν., Μανουσοπούλου, Α., Ματζάκος, Π. Τεχνολογία Υπολογιστικών Συστημάτων & Λειτουργικά Συστήματα, Παιδαγωγικό Ινστιτούτο, Αθήνα