Акустические саги. Как создавался формат MP3?

Успешно прошедшая операция по записи оцифрованного звука на CDA (Compact Disc Audio) возвестила миру о начале новой эры в записи звука.

*В 1982 г. в Лангенхагене близ Ганновера было открыто массовое производство компакт-дисков. Бурное развитие компьютерной техники и цифровых технологий, начавшееся несколько позже, привело к необходимости компрессии цифрового звука. Причин для этого была масса. Экономия дискового пространства, повышение скорости передачи цифровой информации, необходимость создания формата записи звука, удобного для использования в программном обеспечении.

В 1987 году немецкий институт Фраунхофера (Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen) начал всесторонние исследования проблемы кодирования цифрового звука. Именно этому институту принадлежит патент на технологию MP3. "Отцом" этого формата звука называют Карл-Хайнца Бранденбурга (Karl-Heinz Brandenburg), математика и специалиста по электронике, изучавшего методы сжатия уже с 1977 года. В 1989 году, когда был получен патент на формат, ни одного файла MP3 в природе еще не существовало.

В 1993 году MP3-файлы были признаны соответствующими международному стандарту MPEG-1.

*Какие же принципы легли в основу кодирования цифрового звука в этот формат? Исходный звуковой файл делится на фреймы (англ. frame – кадр) продолжительностью 0,05 сек. каждый. Затем проводится анализ каждого фрейма. При этом все частоты звука, лежащие вне диапазона восприятия ухом человека, отбрасываются. Кроме того, отбрасываются колебания со слишком высоким либо низким значением амплитуды. Как известно, ее верхняя граница восприятия человеком составляет 96 дБ. Нижняя граница восприятия сильно зависит от частоты звука. Высокие и низкие частоты имеют более высокий амплитудный порог восприятия.На первом этапе сигнал каждого фрейма математическим преобразованием Фурье представляется в виде суммы синусоид различной амплитуды и частоты (ведь графически звук любой частоты представляет собой именно синусоиду). В память записываются значения амплитуд и частот, входящих в результирующую формулу.

*Второй этап обработки основан на использовании психоакустической модели восприятия звука ухом человека. К примеру, отбрасываются незначительные последовательные изменения в частоте звука (сигнал частотой 5000 Гц и следующий за ним сигнал 5100 Гц записываются как один с частотой 5000 Гц и суммированной продолжительностью). Другая особенность уха приводит к эффекту частотной маскировки. Звук с определенной частотой маскирует другие звуки с близкой частотой, но меньшей амплитудой, которые отбрасываются. Инерционность восприятия звука ухом приводит к тому, что, скажем, некоторое время после громкого хлопка звук высокой частоты и низкой амплитуды просто не слышен. Такие звуки тоже отбрасываются фильтром.

*Третий этап представляет собой сжатие обработанного сигнала известными математическими методами. Сжатие данных в MP3 осуществляется по немного модифицированному варианту алгоритма Хаффмана (Huffman), применяющемуся при создании архивов формата PKZIP, LHA, ZOO, ARJ.В итоге всех трех преобразований информация, содержащаяся в исходном звуковом файле, ужимается в несколько раз. Степень сжатия в современных кодерах измеряется в килобитах в секунду (kbps), и может быть задана самим пользователем. При этом он должен помнить, что бесконечное стремление к понижению размера файла с повышением степени сжатия приводит к тому, что второй этап обработки звука (именно он регулируется без особых ограничений) становится более агрессивным. «Под нож» начинают идти звуки, различимые ухом человека.

*Нет однозначного мнения о минимальной степени сжатия звука, допустимой при его обработке. Одни говорят о том, что 128 kbps (степень сжатия – приблизительно 10:1) – вполне достаточно, другие предпочитают величину, вдвое большую. Сегодня в большинстве проигрывателей и кодеров установлена верхняя граница – 320 kbps, которая способна удовлетворить любого эксперта. *Напоследок отмечу, что кодирование звука в MP3 относится к типу lossy (происходит потеря информации о звуке). Способы, относящиеся к типу lossless, в которых исключен второй этап «психоакустического ножа», а сжатие основано исключительно на математических методах, полностью сохраняют исходную информацию в итоговом сжатом файле.

Как сделать качественный сабвуфер в автомобиле?

Прежде чем приступить к покупке низкочастотного динамика (другими словами: сабвуферная головка; НЧ-головка), изготовлению и установке всего сабвуфера в автомобиль, вы должны чётко себе представлять, как будет выглядеть ваша акустическая система (давайте условимся: акустической системой мы будем называть тот самый короб для сабвуферной головки, который нам, в конечном итоге, и надо изготовить). «Акустическое оформление, или короб, который вы выбрали для сабвуфера, будет определяющим фактором в достижении качественного звучания в низкочастотной области баса». Теория: Но для начала немного о предназначении и функции какого бы то ни было ящика. Акустическая головка излучает звук не только «вперед» но и назад, при этом фронтальная и тыловая звуковые волны противоположны по фазе. Такие волны гасят друг друга, соответственно, звуковое давление низкое и как следствие – низкая громкость! Акустическое оформления НЧ-головки предназначено для ликвидирования такого акустического замыкания.Различают 4 основных вида акустического оформления:• закрытого типа (ЗК); • корпус с фазоинвертором (ФК); • полосового типа (ПК); • бесконечный акустический экран (free air).Звуковое давление сабвуферной головки в ЗК меньше давления, оказываемого этим же динамиком, помещённым в ФК, на 3 ДЦ и на 6, чем в ПК. Увеличение звукового давления на 3 ДЦ приводит к увеличению громкости звучания в два раза, следовательно, повышение на 6 ДЦ – в 4! Таким образом, применение более сложной акустической системы позволяет применять менее мощные усилители при равной громкости звучания! И это очень важно, ведь цена на усилители растёт пропорционально их мощности.Теперь подробнее о каждом виде акустической системы.

Закрытый корпус (ЗК) - Самый простой вид акустической системы! В данном случае низкочастотный динамик монтируется в некоторый короб лицевой стороной наружу. В таком ящике разность фаз колебаний звука от лицевой и тыльной стороны динамика ликвидируется очень просто. Звук от тыльной стороны громкоговорителя гасится в закрытом объёме ящика. Эта звуковая волна уже не может затмевать звук от фронтальной части динамика.Безусловно, такая акустическая система проста в изготовлении, но есть и несколько существенных минусов. Во-первых, низкий, так сказать, КПД, ведь полезную «работу» совершает только фронтальная часть динамика. В связи с этим необходим более мощный усилитель, что, конечно же, скажется на финансовах затратах. Во-вторых, есть вероятность того, что динамик сгорит! Закрытый объём ящика гасит звуковую волну, обладающую энергией, в результате чего повышается внутренняя энергия всей системы и, она нагревается. Следует обшивать внутренние стенки такого короба звукоизолирующими материалами, гасится звук– поглощается тепло.

Корпус с фазоинвертором (ФК) - Более сложная система акустики. Конструктивно мало чем отличается от закрытого корпуса, с той лишь разницей, что имеет отверстия с полыми трубками определённой длины-порты фазоинвертора. Звукотехническая разница же огромна. Сам фазоинвертор представляет собой полую цилиндрическую трубку определённого диаметра и определённой длины. С помощью фазоинвертора соединяется замкнутый объём с окружающим пространством.Как работает фазоинвертор? Тоннель фазоинвертора задерживает звуковую волну, образовавшуюся внутри сабвуфера на строго определённое время. Благодаря этому звуковые волны от «лицевой» стороны динамика и тыльной встречаются за пределами саба в одной фазе. Давление звука резко увеличивается! Минусом является конструктивное усложнение системы, а также высокая чувствительность к параметрам динамика и геометрическим параметрам короба и самого фазоинвертора.

Корпус полосового типа (ПК); (Band-Pass). При таком подходе достигается максимальное звуковое давление. НЧ-головка находится целиком в коробе и поэтому защищена от механических повреждений. Капризная штука в расчете и самая трудоемкая в изготовлении. Поскольку динамик находится внутри корпуса, приходится идти на ухищрения по сборке ящика так, чтобы наличие съемной панели не нарушало жесткости и герметичности конструкции. Конструкция короба, позволяющая управлять амплитудной характеристикой как в области нижней, так и верхней частоты благодаря использованию корпуса с двойной камерой.Бесконечный акустический экран (free air)Самое простое акустическое оформление: коробом является какое-либо помещение или ограниченное пространство! В машине таковым может быть багажник (ну, конечно же, если класс машины – седан). По типу кузова машины можно разделить на три класса:1. Салон объединён с кузовом (хэтчбек, универсал).2. Салон изолирован от багажника (седан).3. Открытый кузов (кабриолет). Каждый класс автомобилей имеет свои особенности установки акустики, и не всякая акустика может быть установлена в той или иной машине! Глупо и безумно пробовать поставить сабвуфер типа Бесконечный Акустический Экран в машину класса хэтчбек.