Контрольная работа: Физические основы генерации звука
Если несколько чистых синусоидальных колебаний смешать, то вид колебания изменится - колебания станут несинусоидальными.
Особый случай, когда смешиваются не любые синусоидальные колебания, а строго определенные, частота которых отличается в два раза (гармоники).
Основная гармоника имеет частоту, и амплитуду а1; вторая гармоника - частоту f2 и амплитуду а2; третья гармоника соответственно f3 и a3.
Причем f1<f2<f3, а1>а2>а3,При бесконечном количестве таких гармоник образуется периодический сигнал, состоящий из прямоугольных импульсов.
На слух всякое отклонение от синусоиды приводит к изменению звучания. В IBM PC источником звуковых колебаний является динамик (PC Speaker), воспроизводящий частоты приблизительно от 2 до 8 КГц. Для генерации звука в PC Speaker используются прямоугольные импульсы.
Синусоидальные сигналы в ЭВМ можно получить только с помощью специальных устройств - аудиоплат.
Без таких устройств хорошего качества звучания добиться не удается. Для улучшения качества звучания необходимо к ЭВМ подключить внешнюю аппаратуру. При этом следует преобразовать дискретные сигналы ЭВМ в аналоговые сигналы аудиоаппаратуры. Такое преобразование можно выполнить с помощью схемы цифро-аналогового преобразования (ЦАП), например, реализованной на аналоговом сумматоре, подключаемом к параллельному интерфейсу Centronics (LPT1 или LPT2).
Поскольку ЭВМ работает с дискретными сигналами - импульсами, а звук представляет собой аналоговый (т.е. непрерывно изменяющийся) сигнал, для ввода звуковых сигналов необходимо их оцифровывать.
Способов оцифровки аналогового сигнала существует много. Рассмотрим три из них.
1. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), работающий по принципу измерения напряжения.
2. Время-импульсное кодирование аналогового сигнала (клиппирование).
3. Спектральный анализатор.
Измерительные АЦП имеют следующий принцип действия. Амплитуда аналогового сигнала измеряется через определенные промежутки времени - кванты. Полученные числовые значения являются цифровыми величинами, характеризующими аудиосигнал. Величина промежутков времени, через которые производится измерение амплитуды аудиосигнала называется шагом квантования, а сам процесс называется оцифровкой звука.
Клиппирование аналоговых сигналов заключается в фиксации моментов времени, когда акустический сигнал, увеличиваясь, достигает верхней критической (заранее определенной) амплитуды (BKA) и, уменьшаясь, - нижней критической амплитуды (НКА).
Значения верхней и нижней критических амплитуд подбираются экспериментально. Весь остальной процесс клиппирования выполняется по строгому алгоритму:
при достижении увеличивающимся аналоговым сигналом уровня верхней критической амплитуды фиксируется время, и цифровой выход включается в 1;
при достижении уменьшающимся аналоговым сигналом НКА фиксируется время, а цифровой выход переключается в 0.
По накопленным значениям t и соответствующим им значениям цифрового выхода определяются временные параметры аналогового сигнала: длительность импульсов и длительность пауз, которые и являются цифровыми значениями аналогового сигнала.
Аналого-цифровое преобразование на основе спектрального анализа заключается в том, что звуковые колебания сложной формы раскладываются на ряд гармоник. Частоты и амплитуды, характеризующие гармонические составляющие аудиосигнала, и являются оцифрованным звуком.
Для преобразования звукового сигнала в цифровой код используются специальные устройства ввода.
Для улучшения качества звука применяется дополнительное устройство ПЭВМ - звуковая плата (аудиоплата).
Обычно звуковая плата состоит из трех модулей:
модуля оцифрованного звука;
многоголосого частотного синтезатора (Freguency Modulation Synthesizer);
модуля интерфейсов внешних устройств.
Модуль оцифрованного звука предназначен для цифровой записи, воспроизведения и обработки оцифрованного звука.
В его состав входят аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи и усилитель. Модуль позволяет преобразовывать вводимый аналоговый сигнал в цифровую форму, записывать его в оперативную память ЭВМ, проводить обратное преобразование оцифрованного звука из памяти ЭВМ в аналоговую форму, усиливать его по мощности для последующего вывода на внешний динамик или головные телефоны. В состав модуля часто входит микшер для смешивания сигналов с линейного входа и с микрофона.
Многоголосый частотный синтезатор предназначен для генерации звуковых сигналов сложной формы. Существуют два принципиально различных способа синтеза звуковых сигналов:
частотныйсинтез (FM - Fregueney Modulation);