Разработка урока по теме: Кодирование звуковой информации (10 класс)

кодирование звуковой информации

Цель познакомить учащихся с принципом кодирования звуковой информации.

Задачи

Познавательные: актуализация знаний по теме "Кодирование информации", осмысление и усвоение принципов кодирования при оцифровке звука, формирование умений оценивать числовые параметры информационных объектов.

Развивающие: формирование умений использовать приобретенные знания в практической деятельности и повседневной жизни, оценки качества звуковых файлов с целью создания собственных цифровых аудиоархивов, развитие мыслительных приемов деятельности при анализе, синтезе и структурировании материала.

Воспитательные: формирование коммуникационной культуры ученика, воспитание толерантности.

Требования к знаниям и умениям:

Уч-ся должны знать:

- различие между аналоговым и цифровым звуком;

- принцип кодирования звуковой информации.

- что такое временная дискретизация, глубина кодирования, частота дискретизации;

Уч-ся должны уметь:

- находить информационный объем аудиофайлов

- редактировать и сохранять звуковую информацию в программе «audacity»

Материалы и оборудование к уроку: презентация, опорный конспект, карточки для практической работы, программы: audacity-win-1.3.ob, flesh-ролик для решения задачи.

Тип урока: комбинированный урок объяснения нового материала.

Форма проведения урока: рассказ, беседа, практическая работа.

Ход урока:

1. Орг. Момент

Давайте попробуем сформулировать вопросы на которые вы бы хотели получить ответы в течении урока.

• В чём различие между «живым» звуком и оцифрованным?

• Что влияет на качество оцифрованного звука?

• Почему диски формата mp3 содержат гораздо больше музыки по сравнению с обычными музыкальными дисками?

• Какова физическая природа звука?

2. Объяснение нового материала

Давайте разберем понятия составляющие название нашей темы.

Кодирование - что это? Где используется?

Кодирование информации</ - процесс преобразования сигнала из формы, удобной для непосредственного использования информации, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической переработки.

Звуковая информация - это какая информация?

звуковая информация - это кодирование звука, в котором лежит процесс калебаниявоздуха и электрического тока.

Для того чтобы рассмотреть процесс кодирования в компьютере звуковой информации, необходимо представлять себе, какова физическая природа звука. Для этого освежим в памяти знания, полученные вами на уроках физики 9 класса при изучении темы «Звуковые колебания».

Из курса физики вам известно

Звук - продольная волна; распространяется в упругих средах (воздух, вода, различные металлы и т.д.);имеет конечную скорость.

Звуковые колебания (волны) - механические колебания, частота которых лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц.

Характеристики звука

громкость звука - зависит от амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

высота звука - определяется частотой колебаний воздуха. скорость звука - скорость распространения волн в среде.

тембр звука - окраска звука, зависящая от источника звука (скрипка, рояль, гитара и т.д.).

Единица громкости звука - децибел (дБ) (десятая часть бела). Названа в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона.

У всех источников звука имеются колеблющиеся части, которые приводят в колебательное движение частицы окружающей среды (воздуха) → распространяющаяся звуковая волна вызывает колебательное движение барабанной перепонки уха человека, которое воспринимается мозгом как звук → не все источники колебаний являются источниками звука (птица, бабочка, летучая мышь) → звук - механические колебания в частотном диапазоне от 16 Гц до 22000 Гц).

Звук может быть представлен двумя способами

Аналоговым и дискретным

Итак, мы выяснили, что звук представляет собой волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Для человека звук тем громче, чем больше амплитуда сигнала, и тем выше тон, чем больше частота сигнала.

Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, такой непрерывный (аналоговый) звуковой сигнал должен быть преобразован в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

Процесс преобразования звуковой волны в двоичный код в памяти компьютера осуществляется в два этапа:

Звуковая волна поступает в микрофон, который преобразует механические колебания частиц воздуха в переменный электрический ток (аналоговый сигнал). Громкость звука будет влиять на амплитуду колебаний тока, а высота звука - на частоту колебаний.

Для возможности обработки компьютером необходимо преобразовать непрерывно меняющийся ток в конечный набор электрических импульсов определённой величины. Для этой цели используется звуковая карта (аудиоадаптер).

При воспроизведении звука осуществляется обратный процесс:

Звуковая карта согласно поступающему двоичному коду формирует соответствующее переменное напряжение, подача которого на динамик вызывает колебательное движение его мембраны, вследствие чего в окружающем пространстве возбуждается звуковая волна.

Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в дискретный (прерывистый) называется временной дискретизацей.

Количество информации, которое потребуется компьютеру для кодирования N уровней громкости можно найти по известному соотношению N=2^I

Количество информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука называют глубиной дискретизации звука.

Качество полученного цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее "лесенка" цифрового звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала.

1 Гц означает одно исполнение такого процесса за одну секунду: 1 Гц= 1/с.

ЧАСТОТА ДИСКРЕТИЗАЦИИ ЗВУКА - это количество измерений громкости звука за одну секунду.

Сэмплрэйт (samplerate) - частота дискретизации (или частота сэмплирования) - частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации (в частности, аналого-цифровым преобразователем - АЦП).

Частота дискретизации звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц.

В зависимости от необходимого качества звука выбирают, как правило, 8 или 16-битное кодирование или 32 бита

Учитывая, что объём аудиофайла пропорционален частоте дискретизации, глубине кодирования и длительности звучания можно записать формулу для подсчёта размера звукового файла:

Расчёт объёма звукового файла»

V=k·ν·I·t

где V - размер (объём) звукового файла (в битах)

k - количество дорожек в записи (k=1 - моно, k=2 - стерео)

ν - частота дискретизации (в Герцах)

I - глубина кодирования (в битах)

t - время звучания (в секундах)

Оценим, какой информационный объём имеет звуковой файл, средней продолжительности, записанный с качеством аудио-CD диска.

Задача 1.

Оцените информационный объем высокочественного моно аудиофайла длительностью звучания 3 мин. 49 с, если "глубина" кодирования 32 бит, а частота дискретизации 44,1 кГц.Дано:

ν = 44,1 кГц

I = 32 бит

t = 3 мин 49 с

k = 1

Решение:

44,1 кГц = 44100 Гц

3 мин 49 с = 229 с

V = k ν I t = 1·44100 Гц·32 бит·229 с = 323164800 бит 40395600 байт ≈ 39448,8 Кб ≈ 38,5 Мб

Найти:

V

Ответ: V = 38,5 Мб

Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:

32 бит * 44 100 * 1 = 1 411 200 бит = 172,3 Кбайт

Это значит, что битрейт или скорость воспроизведения должна быть равна 172,3 килобайт в секунду.

Информационный объем звукового файла длительностью 3 мин. 49 с равен:

172,3 Кбайт/с * 229 с =38,5 Мбайт

Как видим, звук при кодировании его в компьютере будет иметь достаточно большой информационный объём. При записи с микрофона или извлечении из аудио компакт диска средствами ОС Windows получаются достаточно объёмные звуковые файлы с расширением WAV (от WAVeform-audio - волновая форма аудио).

Форматы файлов

WAVE (.wav) - наиболее широко распространенный формат. Используется в ОС Windows для хранения звуковых файлов.

MPEG-3 (.mp3) - наиболее популярный на сегодняшний день формат звуковых файлов.

MIDI (.mid) - содержат не сам звук, а только команды для воспроизведения звука. Звук синтезируется с помощью FM- или WT-синтеза.

Real Audio (.ra, .ram) - разработан для воспроизведения звука в Internet в режиме реального времени.

MOD (.mod) - музыкальный формат, в нем хранятся образцы оцифрованного звука, которые можно затем использовать как шаблоны для индивидуальных нот.

С целью уменьшения объёма звуковых файлов были разработаны методы компрессии, позволяющие существенно сжимать звуковые файлы с некоторой потерей качества

3. Домашнее задание

Конспект,з адачи

№1

Определите длительность звукового файла, который уместится на гибкой дискете 3,5". Учтите, что для хранения данных на такой дискете выделяется 2847 секторов объемом 512 байт.

а) при низком качестве звука: моно, 8 бит, 8 кГц;

б) при высоком качестве звука: стерео, 16 бит, 48 кГц.

№2

В распоряжении пользователя имеется память объемом 2,6 Мб. Необходимо записать цифровой аудиофайл с длительностью звучания 1 минута. Какой должна быть частота дискретизации и разрядность?

№3

Определить объем памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет две минуты при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрешении 16 бит.

4. Итог урока.

Вернёмся к началу урока и попробуем ответить на вопросы, озвученные в начале урока:

• В чём различие между «живым» звуком и оцифрованным?

(в оцифрованном звуке имеется искажение сигнала вследствие временной дискретизации и сжатия)

• Что влияет на качество оцифрованного звука?

(качество звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации)

• Почему диски формата mp3 содержат гораздо больше музыки по сравнению с обычными музыкальными дисками?