Звуковые устройства Звук

Вид материала

Лекция

Содержание Технологии цифрового звука Функция HRTF Звуковые карты Матричный (игольчатый) принтер Струйный принтер Лазерный принтер Клавиатура и мышь.

Подобный материал:

• Лекция. Представление видео и звука в компьютере, 96.77kb.
• Реферат по физике на тему: " Звуковые волны, 533.32kb.
• Daewoo matiz 0,8i mx – sound, 671.68kb.
• Тема: Звуковые волны. Звук в различных средах, 137.94kb.
• Научно-исследовательская работа. Звук. Звуковые волны ученица 9 класса Зуева Анастасия, 1098.11kb.
• Курс "Латинский язык и основы медицинской терминологии", 2819.24kb.
• Теория и практика мультимедиа. Звук, интерактивность. Андрей Смирнов, 282.55kb.
• Система пожарной сигнализации (большой объект), 32.79kb.
• А. П. Журавлев звук и смысл книга, 2742.07kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 13 «Системы, сети, 151.82kb.

Лекция 8

Звуковые устройства


Звук представляет собой локальные изменения давления воздуха, происходящие с определённой частотой, то есть колебания. Эти колебания улавливаются человеческим ухом. Чем больше частота таких колебаний, тем более высокий тон слышит человек. Частота колебаний измеряется в Герцах. Диапазон звуковых частот, слышимых людьми, в общем случае лежит в границах от 20 до 20 000 Гц. Колебания, имеющие низкую частоту, называют инфразвуком. Они не слышны для человека, но организм реагирует на них болезненно, так как они непосредственно действуют на слуховые нервы. Колебания высокой частоты также не слышны подавляющему большинству людей и называются ультразвуком.

Громкость звука измеряется в Децибелах. Если принять за ноль еле различимый звук при частоте звука 3000 Гц, то можно привести такую таблицу:

Громкость звука	Уровень громкости, дБ
Граница слуха	0
Шепот	20
Разговорная речь	50
Шум улицы	80
Взлёт самолёта	120

При уровне звука более 150 Децибел происходит разрушение слухового аппарата. Наиболее высока чувствительность к звукам в диапазоне от 1 до 4 кГц. Например, для звука частотой 100 Гц порог слышимости составляет 40 дБ, а на частоте 10 кГц – 20 дБ. Именно поэтому сабвуферы делают в десятки и сотни раз более мощными чем высокочастотные колонки.

Звук на компьютере обрабатывается цифровыми методами, поэтому применяемая аппаратура принципиально отличается от профессиональных бытовых звуковых устройств. В общем случае, записать и максимально точно воспроизвести звук на аналоговых устройствах можно гораздо более простыми способами, чем на цифровых. Однако, обработать исходный звук различными методами и обеспечить практически стопроцентную повторяемость любой копии записи можно только на цифровых устройствах.

Метод натуральной цифровой записи звука называется PCM (импульсно-кодовая модуляция) и заключается в том, что в ходе записи в течение каждой секунды многократно регистрируется текущая амплитуда звуковой волны. Некоторое значение амплитуды принимается как максимально возможное в данной звукозаписи. Этому значению присваивается самое большое число. Каждое текущее значение амплитуды масштабируется относительно максимального и округляется до ближайшего целого числа. В результате получается единичный снимок (кадр) звуковой волны.


Частоту, с которой делают снимки звуковой волны, называют частотой дискретизации (частотой оцифровки, частотой квантования). Чем выше частота дискретизации, тем более точно цифровая запись будет соответствовать аналоговому образцу.

Сильно влияет на точность записи и величина единичного массива данных (глубина оцифровки), определяющая число различимых уровней записываемого звукового сигнала. От неё зависит отношение максимально воспроизводимой громкости звука по отношению к громкости шумового фона. При 8-битной записи диапазон составит 48 дБ (255 значений), при 16-битной – 96 дБ.

На практике запись хорошего качества получается при частоте дискретизации 44100 Гц и глубине оцифровки 16 бит. Именно такие параметры приняты для записи музыки на лазерных дисках.

Оцифровка аналогового сигнала производится аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) выполняют обратную задачу. Часто оба устройства объединены в одном блоке, называемом кодеком.

Цифровые преобразования вносят специфические искажения в аналоговый сигнал. Из-за того, что в цифровом представлении доступен только ряд целых дискретных значений сигнала, появляется практически непрерывный паразитный сигнал, называемый шумом дискретизации. Для учёта соотношения сигнал/шум используется специальный коэффициент SNR, измеряемый в децибелах. Чем выше коэффициент, тем лучше качество звучания.


Технологии цифрового звука

Dolby Digital 5.1

Этот формат описывает способ формирования в общей сложности шести раздельных каналов звука. Пять из них считаются основными и в каждом из них предусмотрено воспроизведение полного частотного спектра (от 3 до 20000 Гц). Один канал считается дополнительным, потому что отводимая ему полоса частот составляет от 3 до 120 Гц.

Пять основных каналов разделяются по функциям следующим образом: левый, правый и центральный фронтальные каналы, левый и правый тыловые каналы. Низкочастотный канал предназначен для подключения сабвуфера и призван имитировать звуковые эффекты.

Для сжатия данных, кодирования и смешивания каналов используется технология AC-3. Благодаря этой технологии данные в формате Dolby Digital получаются упакованными в один поток (файл), который может передаваться как между отдельными устройствами обработки звукового сигнала практически без потери качества. При восстановлении исходных данных декодером на выходе получаются шесть раздельных каналов.

Поддерживаются частоты дискретизации 32 кГц, 44,1 кГц или 48 кГц.


Функция HRTF

Для имитации позиционирования источников звука в виртуальном трёхмерном пространстве используется алгоритм HRTF. В оригинале HRTF представляет собой очень сложную функцию с четырьмя переменными: азимут на источник звука, его удаление, высота над плоскостью приёмника, частота звуковой волны. Значение HRTF уменьшается обратно пропорционально расстоянию. Предполагается, что источник звука находится на расстоянии более одного метра от приёмника, в так называемом едином дальнем поле. При записи звука используют полученные значения измерений, и при воспроизведении звук позиционируется в пространстве почти так же, как и при естественном прослушивании. Технология HRTF уже несколько десятков лет используется для обеспечения высокого качества стереофонических записей.


MacroFX

Функция HRTF не применима, если источник звука находится ближе одного метра от слушателя, то есть в ближнем поле. В этом случае для имитации звука используется технология MacroFX. Алгоритмы MacroFX обеспечивают воссоздание ощущения, что источник звука расположен близко к слушателю, вплоть до шёпота в ухо.


DirectSound3D

Данная технология является ключевой в мире компьютерных игр. Ядром является механизм позиционирования источников звука, а также встроенные технологии обработки акустической информации в соответствии с параметрами окружения.


Существует ещё ряд технологии, позволяющих существенно улучшить качество звучания и приблизить его к реальности.


Звуковые карты

На задней панели современных звуковых карт расположены внешние разъёмы входа-выхода. Внешний сигнал может поступать на входы LineIn, MicIn, AuxIn,MIDI. На самой звуковой карте расположен четырёхконтактный разъём для подключения аудиовыхода CD-ROM. Выходы звуковой карты обычно именуются LineOut, SpeakerOut и DigitalOut.

Разъём Line In (линейный вход) предназначен для подключения внешних источников звука: тюнеров, DVD/CD-плейеров и других. Mic In (микрофонный вход) используется только для подключения микрофонов, Aux In (микшерный вход) используют для подключения внешнего источника сигнала, который необходимо смешать с сигналом внутреннего источника. К порту MIDI подключают джойстик или электронные музыкальные инструменты (клавиатуры MIDI, синтезаторы, электрогитары и др.). Внутренний разъём Audio CD используется для подключения выхода аудиоканала CD-ROM.

К выходу Line Out подключают внешние усилители и другие аудиоустройства. На выход Speaker Out поступает усиленный стереофонический сигнал. На некоторых картах применяют два выхода Speaker Out, один из которых используется для подключения фронтальных колонок, другой – тыловых. На звуковых картах последнего поколения стало правилом хорошего тона устанавливать разъём Digital Out, который служит для передачи звуковых сигналов в цифровой форме на внешние компоненты. Дел в том, что при преобразовании цифровых данных в аналоговый сигнал на самой звуковой карте всё-таки вносятся существенные искажения (так как внутри компьютера много источников электрических помех). Поэтому гораздо лучшего звучания можно добиться, преобразую цифру в аналоговый сигнал во внешних устройствах. Для этого усилитель тоже должен иметь вход стандарта Digital Out. Это позволяет передавать неискажённый сигнал на внешние высококачественные аудиоустройства. В частности, к этому разъёму часто подключают аппаратуру, воспринимающую формат Dolby Digital.

Кодек включает АЦП и ЦАП. Все сигналы, проходящие через звуковой тракт, проходят обработку в кодеке, кроме выхода Digital Out, на который сигнал проходит минуя кодек. Стандартный кодек имеет название AC’97.

Центром управления звуковой карты является цифровой сигнальный процессор (DSP), отвечающий за интерфейс с шиной PCI. Кроме того, DSP управляет обменом данных с другими блоками аудиокарты, применяет к сигналу особые алгоритмы обработки для наложения звуковых эффектов, формирование сигнала Dolby Digital и т.д. Современный DSP должен работать в режиме полного дуплекса, то есть уметь обрабатывать одновременно два потока данных: на запись и на воспроизведение.

Звуковая карта не только служит для обработки и преобразования внешних сигналов, но и сама должна генерировать аудиоданные по командам, подаваемым программным обеспечением. В звуковых картах применяются два метода генерации аудиосигнала: FM-синтез и волновой табличный синтез. Блок FM имеет несколько каналов (голосов). Каждый канал содержит несколько генераторов сигнала. Цепочка генераторов управляется по параметрам частоты и амплитуды. Итоговый сигнал представляет собой смесь таких сигналов. Блок волнового табличного синтеза работает на основе таблицы звучания определённого набора музыкальных инструментов. Эти образцы хранятся в постоянно запоминающем устройстве (ROM) на звуковой карте или загружаются из оперативной памяти. До перехода к интерфейсу PCI аудиокарты с волновым табличным синтезом часто имели собственное ОЗУ до 4 Мбайт. Сейчас в этом нет необходимости, так как пропускной способности шины вполне хватает для загрузки таблицы из основной ОП.

Итак, звуковую карту можно считать достаточно современной, если она имеет 16-битный стереофонический ЦАП и АЦП, обеспечивает запись и воспроизведение стереозвука с качеством лазерного диска (частота преобразования 44 100 Гц). Обязательны поддержка полного дуплекса и наличие синтезатора, основанного на технологии Wave tabe.

В настоящее время известны сотни наименований звуковых карт, однако базовых наборов микросхем выпускается не так много. Одним из ведущих производителей таких микросхем является компания Creative Labs, выпускающая базовые наборы Emu 8008, Audigy, серию CT (чипсеты CT 5880, CT4816, CT 4520). Неплохо зарекомендовали себя чипсеты фирмы Crystal Semiconductor: CS 4610, 4611,4614, 4622,4624 и другие. В качестве недорогой альтернативы можно использовать чипсеты фирмы Yamaha (YMF 724/740).


Принтеры


По принципу печати различаются матричные, струйные и лазерные (страничные) принтеры. Существует ряд других технологий печати, например сублимационная, печать за счет термопереноса, которые применяются гораздо реже.


Матричный (игольчатый) принтер

Игольчатый принтер (Dot-Matrix-Printer) долгое время являлся стандартным устройством вывода для РС. В то время, когда струйные принтеры работали еще неудовлетворительно, а цена лазерных была достаточно высока, игольчатые принтеры повсеместно использовались с компьютерами. Они еще часто применяются и сегодня. Достоинства этих принтеров определяются, в первую очередь, их универсальностью, которая заключается в способности работать с любой бумагой, а также низкой стоимостью печати. Существуют 9- , 18- и 24-игольчатые принтеры.

При выборе принтера всегда необходимо исходить из задач, которые будут перед ним поставлены. Если необходим принтер, который должен целый день без перерыва печатать различные формуляры на готовых бланках, то матричным принтерам альтернативы нет. Вообще игольчатый принтер является существенно более универсальным принтером при работе с бумагой, чем лазерный или струйный, для которых, как правило, отсутствует возможность использования бумаги в рулоне.

Игольчатые принтеры оборудованы внутренней памятью (буфером), который принимает данные от РС. Объем памяти недорогих игольчатых принтеров составляет от 4 до 64 Кбайт. Матричный принтер является механическим устройством, а работа механических узлов всегда сопровождается шумом. В этом – его большой недостаток.


Струйный принтер

История развития струйной печати насчитывает несколько десятилетий. Генеральная идея, в общем, оставалась все время неизменной - нанесение краски на бумагу или другой материал, используя преимущества жидкого красителя: легкость в нанесении и возможность образования малых объемов. В настоящее время обычно используется "пузырьковая" технология. Она подразумевает нанесение красителя путем выталкивания частиц чернил из емкости при помощи пузырька газа, образующегося внутри картриджа в результате резкого локального повышения температуры и давления.

Именно появление и промышленная реализация "пузырьковой" технологии струйной печати явилось причинной всплеска спроса на струйные принтеры, вначале одноцветные, а впоследствии практически всегда цветные. Эту же технология в своих изделиях используют Hewlett Packard, Canon, Mannesman Tally и ряд других производителей.

Качество струйной печати зависит, главным образом, от трех основных факторов: качества печатающего узла (разрешение), качества чернил (передача полутонов и цвета), типа используемого носителя (непосредственно связан с предыдущим фактором - насколько хорошо данные чернила сочетаются в данным типом бумаги или пленки).

Принтеры практически бесшумны, с легкостью осуществляют цветную печать. Полученные с помощью струйных принтеров распечатки обладают высоким разрешением лазерного качества.

Лазерный принтер

Несмотря на сильную конкуренцию со стороны струйных принтеров, лазерные принтеры на сегодня позволяют достигнуть более высокого качества печати.

Качество получаемого с их помощью изображения приближается к фотографическому. Таким образом, для получения высококачественной черно-белой распечатки следует отдавать предпочтение лазерному принтеру по сравнению со струйным. Если вы желаете получить цветное изображение, то в большинстве случаев можете быть удовлетворены цветным струйным принтером, так как стоимость цветных лазерных принтеров достаточно высока.

Уровень шума при "жужжании" лазерного принтера составляет в среднем 40 дБ. Большинством изготовителей лазерных принтеров используется механизм печати, который применяется в ксероксах.

Скорость печати лазерного принтера определяется двумя факторами. Первый из них - это время механической протяжки бумаги, другой - скорость обработки данных, поступающих от РС, и формирования растровой страницы для печати.

Обычно лазерный принтер оборудован собственным процессором. Как правило, для черно-белых принтеров используется микропроцессор Motorola 680000. В высокопроизводительных принтерах, например НР, используют процессор Intel 80960, имеющий тактовую частоту 33 МГц и сокращенный набор команд (RISC-архитектура).

Так как лазерный принтер является страничным принтером (т.е. он формирует для печати полную страницу, а не отдельные строки, как игольчатый или струйный) скорость печати измеряется в страницах в минуту. Средний лазерный принтер печатает 10-15 страниц в минуту. Высокопроизводительные принтеры, которые, как правило, используются в компьютерных сетях, могут печатать до 20 и более страниц в минуту.

Лазерный принтер обрабатывает целые страницы, что, естественно, связано с большим количеством вычислений. Скорость печати определяется не только работой процессора, но и существенно зависит от памяти, которой оборудован принтер. Величина памяти лазерного принтера 1 Мбайт является нижней границей, более ощутима емкость памяти от 2 до 4 Мбайт. Цветные лазерные принтеры имеют еще большую память.

Как правило, большинство лазерных принтеров могут печатать на бумаге формата А4 и меньше, правда, в последнее время появились принтеры, способные печатать на листах формата А3. Кроме того, если раньше печать на рулоне считалась прерогативой лишь игольчатых принтеров, то сейчас на рынке появились модели лазерных принтеров, которые также могут использовать для работы бумагу в рулоне, например Pentax Laserfold 300E.

Некоторые лазерные принтеры, например Xerox 4320/MRP "умеют" печатать на обеих сторонах листа, а во многих дорогих моделях предусмотрена возможность их дооборудования для двусторонней печати.


Разрешение принтеров измеряется в единицах dpi (точек на дюйм). Например, 1200x600 dpi. Подключаются принтеры обычно к параллельному порту (LPT) или порту USB.


Клавиатура и мышь.


Клавиатура

Механизм функционирования клавиатуры бывает мембранный, полумеханический или механический. При нажатии клавиши на клавиатуре мембранного типа замыкается пара мембран – гибких контактов на пластиковой плёнке. Возврат клавиши в исходное положение осуществляется с помощью размещённых под ними маленьких резиновых полусфер. В полумеханических клавиатурах используются более долговечные и не стирающиеся металлические контакты. В механических клавиатурах к металлическим контактам добавлены пружины для возврата клавиши в исходное положение.

Достоинства мембранных клавиатур:

- защищённость от жидкостного загрязнения,

- мягкость нажатия и низкий уровень шума,

- низкая цена.

Механические и полумеханические клавиатуры более шумные и не всегда имеют защиту от жидкостного загрязнения. Кроме того, их цена выше. Но при наборе текста на мембранных клавиатурах возможны частые ошибки из-за мягкости нажатия клавиш.

По способу подключения к компьютеру в настоящее время клавиатуры делятся на два типа: с интерфейсом PS/2 и USB. Клавиатуры с интерфейсом PS/2 существенно дешевле, но у USB есть преимущество: при наличии дополнительного порта позволяют подключать к ним другие устройства. Кроме того, этот интерфейс более современен: через несколько лет он, скорее всего, вытеснит PS/2. Но пока что ни одно из этих преимуществ нельзя назвать критическим.

Одно из требований, предъявляемых к периферийным устройствам, является их низкое электромагнитное излучение. Хорошая клавиатура должна соответствовать американскому стандарту FCC, что отражается в документации, а также на наклейке внизу корпуса клавиатуры. Некоторые клавиатуры имеют металлическое дно, то способствует уменьшению излучения, а также прочность и жёсткость конструкции.

Эргономичность клавиатуры означает их оптимальную приспособленность к физиологии человека. Эргономичные клавиатуры обладают следующими свойствами:

- имеют развёрнутые под небольшим углом вертикальные ряды клавиш, относящиеся к зоне действия каждой руки. При этом пользователь избавлен от необходимости держать кисти рук параллельно друг другу.

- Могут иметь немного выгнутый корпус, что позволяет пользователю не держать кисти рук параллельно плоскости стола.

- Имеют подставку для кистей рук.

Такие клавиатуры существенно меньше утомляют пользователя и занимают меньше места на рабочем столе, но стоят дороже традиционных.

Практически все клавиатуры в настоящее время имеют специальные клавиши для ускорения работы с операционной системой Windows. У некоторых моделей есть дополнительные нестандартные клавиши:

- Power off – выключение компьютера,

- Sleep – перевод компьютера в «спящий» режим,

- Wake Up – выход из «спящего» режима.

Кроме того, могут встречаться клавиши, вызывающие выполнение таких операций как отправить/принять почту, подключиться к сети через модем, выдвинуть компакт-диск, начать/остановить воспроизведение диска и т.д. Если дополнительные клавиши есть, то нужно обратить внимание на то, как они расположены. Это важно для предотвращения непреднамеренных нажатий.

Из наиболее широко распространённых производителей компьютерных клавиатур можно отметить Microsoft, Cherry, Chicony, BTC, Genius, Mitsumi, Logitech. Желательно выбирать фирму, предоставляющую гарантию на клавиатуру не менее одного года.


Мышь

Мыши бывают оптико-механические и оптические. Оптико-механические мыши отслеживают своё местоположение на рабочей поверхности с помощью специального шарика, находящегося в нижней части корпуса. При перемещении мыши по столу, шарик поворачивает пару роликов, ответственных за горизонтальное и вертикальное перемещение курсора мыши. Эти ролики, в свою очередь, передают сигнал о перемещении мыши на оптические датчики. При выборе мышей такого типа следует отдать предпочтение моделям с более тяжёлым шариком и металлическими роликами.

Оптическая мышь определяет своём месторасположение путём высокоскоростного сканирования поверхности, на которой она находится. При изменении изображения этой поверхности мышь определяет скорость и направление этого изменения и передаёт новые координаты курсора в компьютер. Если скорость перемещения такой мыши будет слишком высокой, то сканирующее устройство может просто не успеть отследить, в каком направлении переместилась мышь, что приведёт в непредсказуемому поведению курсора на экране. Но такие мыши гораздо более долговечны, практически нечувствительны к загрязнению и обладают высокой точностью позиционирования. Однако, цена таких мышей существенно выше обычных.

В настоящее время существуют мыши с интерфейсами трёх типов: COM, PS/2 и USB. При этом мыши с портом PS/2 существенно дешевле мышей с портом USB. Но зато последние имеют целый ряд достоинств:

- высокая скорость передачи данных,

- высокая точность позиционирования курсора.

- могут подключаться не только к системному блоку, но и к другим устройствам с таким же интерфейсом

Мыши, подключаемые к порту COM, встречаются уже достаточно редко.

Большинство мышей имеют две кнопки. Однако, встречаются мыши и с третьей, программируемой кнопкой. Кроме того некоторые мыши могут иметь средства, облегчающие прокрутку изображения (кнопка-качелка, рычажок, колёсико).

Из наиболее достойных фирм-производителей мышей можно отметить Microsoft, Logitech, Dexxa. Неплохие модели встречаются среди моделей фирм Genius и A4 tech.