Лекция 1/1 Основы телекоммуникаций и компьютерных технологий

Вид материала

Лекция

Содержание Направление движения предмета Рис.2. Возникновение звуковой волны при колебаниях предмета Количество колебаний воздуха в секунду называется Амплитудой звуковой волны Волны находятся в фазе Волны в четверть фазы Волны в противофазе N= lgI/b=lg(Pi/Pа)² Тембр звука Стоячие волны и резонанс Эталонная модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI происходит обмен данными между пользователями, находящимися на разных континентах. 1. На прикладном уровне (application Сетевой уровень

Подобный материал:

• 1. Основы безопасности сетевых информационных технологий Основы безопасности сетевых, 100.23kb.
• А. Н. Тихонов, директор Государственного научно-исследовательского института информационных, 663.72kb.
• История возникновения и развития компьютерных сетей, 341.83kb.
• Развитие рынка интеллектуально-креативных услуг (теория и методология), 667.82kb.
• Компьютерные коммуникации, 158.55kb.
• Технологии создания региональных компьютерных сетей, 206.96kb.
• Г. Н. Трофимова компьютерные технологии в филологии программа курса, 111.59kb.
• Программы: Основы логики и логические основы компьютера. Тип урока: урок объяснения, 129.96kb.
• Лекция 6 (4 часа). Основы теории нейронных сетей, 709.51kb.
• Обзор рынка спс в России. Перспективы использования компьютерных технологий для официального, 167.31kb.

Направление движения предмета

Рис.2. Возникновение звуковой волны при колебаниях предмета

Любой предмет, совершающий возвратно-поступательные движения (камертон, струна рояля или гитары, наши голосовые связки и т.д.), вызывает в воздухе попеременное уменьшение или увеличение плотности. Движения одних молекул воздуха передаются другим молекулам, в результате чего в пространстве распространяются периодически повторяющиеся зоны увеличения и уменьшения плотности. Они-то и являют собой звуковую волну (рис.2). Если мы в каком-то месте поставим прибор, способный реагировать на изменение плотности воздуха, запишем его показания в течение некоторого времени и составим график зависимости плотности от времени, то получим кривую, близкую к синусоиде, знакомую нам по школьным учебникам физики (рис.3). Именно такие колебания и улавливаются нашим ухом, в результате чего мы получаем ощущение звука.


Направление распространения радиоволн















Точка измерения




Амплитуда

волны

Время


Рис.3. Волнообразные изменения плотности воздуха и график,

иллюстрирующий этот процесс


Прежде чем начать разговор о преобразовании колебаний звуковых волн в необходимо дать несколько определений касающихся природы и характеристик звука.

Количество колебаний воздуха в секунду называется — частотой звука. Волны с разной частотой воспринимаются нами как звук разной высоты: волны с малой частотой воспринимаются как низкие, басовые звуки, а волны с большой частотой — как высокие. Частота измеряется в Герцах (Гц): 1 Гц = 1 колебание в секунду; или килогерцах (кГц): 1кГц = 1000 Гц. Большинство людей о 18 до 25 лет реально способны слышать колебания воздуха с частотой от 2 до 20000 Герц (с возрастом верхняя граница восприятия уменьшается). Именно этот диапазон волн называется звуковым диапазоном.

Частота волны обратно пропорциональна длине волны - отрезку на оси распространения волны, в котором умещается полный цикл изменения плотности воздуха. Чем больше частота звука, тем меньше длина волны и наоборот. Длину волны очень легко вычислить по формуле λ=C/f, где С — скорость звука (340 м/с), a f — частота звуковых колебаний. Например, волна, имеющая частоту 100 Гц имеет длину λ = 340/100=3.4 м.

Амплитудой звуковой волны — называется половина разницы между самым высоким и самым низким значением плотности.

Поговорим более подробно о высоте звука. Наши уши устроены таким образом, что когда мы слышим два звука, частоты которых относятся как 2:1, то нам кажется, что эти звуки близки друг к другу и при одновременном воспроизведении они для нас как бы сливаются. Именно на этом эффекте основана музыкальная шкала высоты звуков, у которой одна и та же нота повторяется каждую октаву. То есть в натуральном звукоряде частоты одинаковых нот соседних октав соотносятся между собой как 2:1.

Звукорежиссерам часто приходится переводить значения частоты в ноты и обратно. Нам тоже понадобятся такие навыки, например, при работе с разными устройствами корректировки звука. Поэтому постарайтесь запомнить это соотношение — с помощью нехитрой математической операции теперь вы сможете вычислять частоту любой ноты, памятуя, что нота «Ля» первой октавы имеет частоту 440 Гц.

Но помимо высоты звука, мы способны достаточно точно определять положение звукового источника в пространстве. Это означает, что звуковые волны должны обладать свойством, на которое реагирует наш слуховой аппарат.

Все объясняется достаточно просто: наши уши отнесены на некоторое расстояние друг от друга. То есть, звук в каждое из них поступает не в одно и то же время, а в разное. По задержке попадания одной и той же звуковой волны на барабанные перепонки мы и определяем пространственное положение источника звука (на самом деле есть еще несколько факторов, помогающих определять направление на звуковой источник, но мы поговорим о них позднее).

Для описания относительных временных свойств двух звуковых волн (или разных частей одной волны) вводится понятие фазы звуковой волн, — то есть характеристики отражающей состояние колебательного процесса, в конкретный момент времени (рис. 4).

На первом графике показаны две волны, которые полностью совпадают друг с другом. В этом случае говорят, что волны находятся в фазе. На третьем графике в том месте, где у одной волны находится область высокой плотности, у другой — область низкой плотности. В этом случае говорят, что волны находятся в противофазе. При этом, если волны одинаковые, происходит их взаимное уничтожение (в природе это бывает крайне редко, чаще противофазные волны при наложении сильно искажают звук). Средний график показывает некое промежуточное положение. В этом случае говорят, что фаза одной волны сдвинута относительно другой.

Из всего вышесказанного становится понятно, что наш слух при определении пространственного положения источника звука реагирует именно на фазу волны. А по изменению фаз мы можем судить и о перемещении источника звука.

Волны находятся в фазе Волны в четверть фазы Волны в противофазе

Рис.4. Фазы волны

Уровень и громкость звука

Теперь немного поговорим о таком важном параметре как уровень звука. Любая звуковая волна, которая распространяется в пространстве, может оказывать на встречающиеся препятствия (в том числе и на наши барабанные перепонки) некое давление. Люди, которые бывали на рок-концертах и стояли около мощных колонок, не понаслышке знают, что оно может быть очень сильным. Мы субъективно воспринимаем изменение давления звуковых волн в виде ощущения изменения громкости звука. Максимальное изменение давления в воздухе при распространении звуковых волн по сравнению с давлением при отсутствии волн называется звуковым давлением. Как и любое другое, звуковое давление измеряется в Паскалях (Па).

Но в акустике, при оценке интенсивности звуковых волн чаще применяется другое понятие — сила звука. Оно показывает поток звуковой энергии, который каждую секунду проходит через квадратный сантиметр условной плоскости, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны. Звуковое давление и сила звука находятся в квадратичной зависимости. То есть, сила звука = звуковое давление в квадрате. Сила звука описывает энергетические свойства самой волны и измеряется в ваттах/квадратный сантиметр (Вт/см²). Такая единица бывает очень удобна при некоторых расчетах - это единственная причина ее введения.

Для того чтобы мы смогли услышать тот или иной звук, его сила должна быть больше определенного уровня. Этот уровень называется порогом слышимости. То есть, если звуковая волна имеет малую интенсивность - ниже этого порога, мы просто не воспринимаем ее, и нам кажется, что вокруг стоит полная тишина, хотя на самом деле воздух вокруг колеблется.

Точно также дело обстоит и со звуками большой интенсивности — мы слышим звук только до определенного уровня, который называется болевым порогом. Если сила звука больше этого уровня, то мы испытываем боль в ушах. Разница между уровнями болевого порога и порога слышимости называется динамическим диапазоном слуха. Мы способны воспринимать изменения силы звука в огромных пределах: сила звука болевого порога превосходит силу звука порога слышимости в тысячу раз.

Наш слуховой аппарат устроен таким образом, что линейное изменение силы звука (или звукового давления) не воспринимается нами как линейное изменение громкости. Громкость звука и его сила связаны между собой более хитрой зависимостью. Увеличение громкости в два раза соответствует увеличению силы звука в 100 раз (звукового давления - в 10 раз), увеличение громкости в 3 раза соответствует увеличению силы звука уже в 10000 раз (звукового давления — в 100 раз), а увеличение громкости в 4 раза соответствует изменению силы звука в 100 000 000 раз (звукового давления - в 10000 раз)

Такая зависимость называется логарифмической, и именно из-за такой особенности нашего восприятия изменение уровня (громкости) звука принято измерять в логарифмических единицах — белах (Б).

Различие величин силы звука в белах вычисляется по формуле:

N = lg I

b


(на всякий случай, напомним, что lg - это десятичный логарифм, и он показывает степень, в которую возводится число 10; то есть, если 10² =100, то lg=2, иначе lg100=2), где N— изменение уровня звука, а I и b — верхняя и нижняя границы силы звука. Десятикратное увеличение силы звука соответствует 1 белу (lg 10=l), а стократное увеличение соответствует двум белам (lg 100=2) и т. д. Словом, логарифмическая шкала позволяет достаточно сильно «сжимать» линейную шкалу, сохраняя при этом достоверность, и именно такая шкала полностью соответствует особенностям нашего слуха.

Изменение уровня звука в один бел одинаково отражает и изменение силы звука, и изменение звукового давления. Если вы подставите в вышеприведенную формулу соответствующие значения звукового давления (памятуя, что сила звука = звуковое давление в квадрате), то получите те же самые значения изменения уровня в белах. Судите сами:


N= lgI/b=lg(Pi/Pа)²

где Pi и Ра — верхняя и нижняя границы звукового давления.

Проверяем. Изменение звукового давления в 100 раз соответствует изменению силы звука в 10000 раз (1= Р²). Подставляя эти значения в вышеприведенную формулу, мы получаем следующие вещи: Ig 10000 = 4 бела (изменения силы звука); 2 1g 100 = 2x2 = 4 бела (изменения звукового давления). Как видите, в обоих случаях, мы получили одинаковые изменения уровня звука в белах.

Но на практике оказывается, что бел — это слишком большая величина для изменения уровня. Поэтому чаще применяется децибел (дБ) — десятая часть бела. То есть изменение уровня в децибелах будет вычисляться по формуле N=10 lgIi/b или N=20 lgPi/Рз. Минимальный перепад уровня, который способно воспринять наше ухо, как раз равен одному децибелу. Это одна из главных причин введения такой системы измерения уровня. А весь динамический диапазон слуха составляет 120 дБ. Согласитесь, что гораздо удобней оперировать единицами, которые мы можем услышать.

Изменение уровня звука обычно оценивается в децибелах относительно порога слышимости. Когда говорят, что уровень звука в колонках равен ста децибелам, подразумевают, что колонки работают на уровне, превышающем порог слышимости на 100 дБ.

Децибел - это логарифмическая единица измерения уровня звука, показывающая минимально слышимое изменение громкости. А динамический диапазон нашего слуха (разница между самым тихим и самым громким воспринимаемым звуками) составляет 120 дБ.

Заниматься корректировкой и обработкой звука надо при достаточно высокой громкости в контрольных акустических системах (80-90 дБ - уровень, сравнимый с шумом в вагоне метро). Иначе повышается вероятность ошибки, так как на низких уровнях наш слух становится менее чувствительным к высоким и низким частотам.

Тембр звука

Что отличает звук фортепиано от звука другого инструмента, хотя у каждого есть способность извлекать высокие и низкие, громкие и тихие звуки? Все объясняется довольно просто: реальные звуки представляют из себя созвучия, состоящие из нескольких простых волн. От комбинаций этих волн и зависит тембр инструмента.

У каждого созвучия есть основной тон - волна определенной частоты, которая имеет наибольший уровень. Например, у ноты «Ля» первой октавы эта волна имеет частоту 440 Гц. Но вместе с ней звучат и другие волны, частота которых в 2, 3, 4 раза и т.д. выше, чем у основного тона (вы уже знаете, что эти звуки располагаются через октаву). В музыке они называются обертонами. В акустике принята немного другая терминология. И основной тон, и обертона называются гармониками и имеют порядковый номер в зависимости от высоты: основной тон — первая гармоника, первый обертон — вторая гармоника и т.д.

Чуть позже мы познакомимся с устройствами (и программами) корректировки звука, которые называются эквалайзерами. Они работают по принцип понижения или повышения уровня тех или иных частотных полос, то есть с их помощью можно менять уровень тех или иных гармоник и, соответственно изменять тембр.

Стоячие волны и резонанс

Звуковая волна, которая встречает на своем пути перпендикулярную твердо поверхность (например, стену), отражается от нее и возвращается по тому ж самому пути. Две волны движущиеся в противоположные стороны способны производить так называемые стоячие волны, которые окрашивают звук новыми гармониками (то есть изменяют тембр звука). Например, в замкнуто прямоугольном помещении стоячие звуковые волны находятся точно посередине комнаты. И если вы встанете в это место, то услышите, как изменился звук (чаще всего в худшую сторону).

Если длина волны источника звука становится кратна длине помещения, то фаза отраженной волны совпадает с фазой прямой волны, в результате чего происходит их взаимное усиление. А так как в прямоугольном помещении звук отражается от стен несколько раз, то происходит многократное усиление громкости звука. То есть, возникает воздушный резонанс — частный случай стоячей волны.

Любое помещение имеет некую критическую частоту звука, при которой возникает резонанс. Причем у помещений с разными геометрическими размерами будут разные критические частоты. Эту частоту называют частотой резонанса. Резонанс чаще всего возникает именно на низких частотах, так как длина волны низких звуков сравнима с длиной и шириной помещения. Кстати, бас-гитаристы, репетирующие дома, отлично знакомы с таким эффектом: некоторые взятые на инструменте ноты неожиданно усиливаются при этом начинают угрожающе звенеть стекла в окнах и шкафах.

Резонанс в большинстве случаев явление крайне неприятное. Поэтому в музыкально используемых помещениях с ним борются всеми возможными способами. Например, ликвидируют параллельные поверхности — студийно комнаты очень часто проектируются таким образом, что все углы имеют величину больше 90 градусов. Однако резонанс не всегда бывает вреден. В духовых инструментах и органах это явление используют для усиления звука получения характерного тембра.

3. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
   

В начале 1980-х гг. ряд международных организаций по стан­дартизации - ISO, ITU-T и некоторые другие — разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), или моделью OSI. Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем в сетях с ком­мутацией пакетов, дает им стандартные имена и указывает, ка­кие функции должен выполнять каждый уровень. Модель пред­ставляет собой универсальный стандарт на взаимодействие двух систем (компьютеров) через вычислительную сеть.

Главная идея данной модели состоит в том, что вся сложная процедура сетевого взаимодействия может быть разбита на не­которое количество стандартных шагов, последовательно вы­полняющихся программным и аппаратным обеспечением ком­пьютера для передачи пользовательских данных в сеть или при приеме данных из сети. Для описания действий, выполняемых на каждом таком шаге, вводится понятие уровня.

Модель OSI описывает функции семи иерархических уровней и ин­терфейсы взаимодействия между ними. Каждый уровень опреде­ляется сервисом, который он предоставляет вышестоящему уров­ню, и протоколом — набором правил и форматов данных для взаимодействия объектов одного уровня, работающих на раз­ных компьютерах.

В вычислительных сетях и системах передачи данных реализуются процессы по преобразованию и обработки информации, имеющие различную природу. Для обеспечения качественной работы необходимо их согласование. Процедура взаимодействия процессов на основе обмена сообщениями называется протоколом. Это последовательность действий однозначно выполняемая при преобразовании информации и приводящая её к требуемому виду. При описании протоколов выделяют логическую и процедурную характеристики. Логическая - структура, форма и содержание. Процедурная – правила выполнения действий, предписанных протоколом.

Таким образом, логика организации вычислительной сети определяется протоколами, устанавливающими тип и структуру сообщений и процедуры их обработки (т.е. реакция на входное и генерация выходного сообщения).

Вычислительные сети в упрощённом виде представляют собой совокупность узлов (точек) и передающей среды (любой физической природы). Процессы взаимодействуют через передающую среду, путём передачи сообщений. Многоуровневость управления процессами заключается в использовании программных аппаратных модулей, обеспечивающих определённые функции обработки и передачи данных.

Системы компьютерной связи рекомендуется рассматривать на семи разных уровнях. В целях сравнения с действиями почтовой связи (таблица 1) представлена аналогия функционирования уровней модели открытых систем (ISO/OSI).

Из таблицы видно, что каждый новый уровень все больше и больше увеличивает функциональность системы связи. Местная почтовая служба работает не только с письмами, но и с бандеролями и посылками. Почтово-багажная служба занимается еще и доставкой грузов. Вагоны перевозят не только почту, но и людей. По рельсам ходят не только почтово-пассажирские поезда, но и грузовые составы и т. д. То есть чем выше уровень в модели связи, тем больше различных функциональных служб его используют.

Возвращаясь к системам компьютерной связи, рассмотрим, как в модели ISO/OSI происходит обмен данными между пользователями, находящимися на разных континентах.

1. На прикладном уровне (application layer) с помощью специальных приложений пользователь создает документ (сообщение, рисунок и т. п.).

2. На уровне представления (presentation layer) операционная система его компьютера фиксирует, где находятся созданные данные (в оперативной памяти, в файле на жестком диске и т. п.), и обеспечивает взаимодействие со следующим уровнем.

3. На сеансовом уровне (session layer) компьютер пользователя взаимодействует с локальной или глобальной сетью. Протоколы этого уровня проверяют права пользователя на «выход в эфир» и передают документ к протоколам транспортного уровня.

4. На транспортном уровне (transport layer) документ преобразуется в ту форму, в которой положено передавать данные в используемой сети. Например, он может нарезаться на небольшие пакеты стандартного размера.


Таблица 1.

Уровни модели связи

Уровень	Аналогия
Прикладной уровень	Письмо написано на бумаге. Определено его содержание
Уровень представления (Представительский)	Письмо запечатано в конверт. Конверт заполнен. Наклеена марка. Клиентом соблюдены необходимые требования протокола доставки.
Сеансовый уровень	Письмо опущено в почтовый ящик. Выбрана служба доставки (письмо можно было бы запечатать в бутылку и бросить в реку, но избрана другая служба).
Транспортный уровень	Письмо доставлено на почтамт. Оно отделено от писем, с доставкой которых местная почтовая служба справилась бы самостоятельно.
Сетевой уровень	После сортировки письмо уложено в мешок. Появилась новая единица доставки — мешок.
Уровень соединения	Мешки писем уложены в вагон. Появилась новая единица доставки — вагон.
Физический уровень	Вагон прицеплен к локомотиву. Появилась новая единица доставки — состав. За доставку взялось другое ведомство, действующее по другим протоколам.