Zvuk a zvuková zařízení. Vývoj, typy, vlastnosti
Zvuková karta Počítač řady PC je ve své standardní konfiguraci vybaven malým reproduktorem označovaným jako PC speaker. Tento reproduktor je součástí skříně počítače a je připojen přímo na základní desku počítače. Jeho zvukové schopnosti jsou však velmi omezené a slouží většinou pouze k vydávání jednoduchých zvuků, jako jsou např. varovné pípnutí při vzniku chyby apod. Pokud je požadován kvalitnější zvukový výstup z počítače, je nezbytné tento počítač vybavit zvukovou kartou.
Zvuková karta Zvuková karta (sound card) je zařízení, které slouží k počítačovému zpracování zvuku. V závislosti na své kvalitě (a tím i ceně) zajišťuje kvalitní zvukový výstup z počítače vhodný i pro profesionální účely. Ke zvukové kartě lze dále připojit následující zařízení: ● ● ● ● ● ●
sluchátka reproduktory zesilovač mikrofon externí zdroje (rádio, magnetofon, ...) je-li karta vybavena rozhraním MIDI (Musical Instrument Digital Interface), je možné k ní připojit i elektronické hudební nástroje vybavené také tímto rozhraním (např. elektronické varhany, syntetizátory apod.)
Zapojení zvukové karty Při záznamu zvuku pomocí zvukové karty je nezbytné rozlišit dva základní případy: ●
záznam je prováděn z nějakého zdroje poskytujícího analogový signál (mikrofon, rádio, magnetofon, audio CD). Takovýto signál se skládá z vln (kmitů) o nestejném tlaku, který je vytvářen ve vzduchu hlasivkami, hudebními nástroji nebo přírodními silami.
Příklad zvukového signálu V takovémto případě je nutné tento analogový signál převést na signál digitální. Převod se uskutečňuje pomocí vzorkování (sampling). To znamená, že v každém časovém intervalu je zjištěn a zaznamenán aktuální stav signálu (vzorek). Je zřejmé, že čím kratší je tento interval, tím vyšší je vzorkovací frekvence, tím více vzorků bude pořízeno a tím bude výsledný záznam kvalitnější. Kvalitu je možné dále ovlivnit počtem rozlišitelných úrovní v každém vzorku. Ovlivnění kvality záznamu vzorkovací frekvencí.
Původní signál
Vzorkování 20 Hz
Výsledek
Původní signál Vzorkování 40 Hz Výsledek Ovlivnění kvality záznamu počtem rozlišitelných úrovní na každý vzorek
Původní signál
Hloubka 8 bitů
Výsledek
Původní signál Hloubka 16 bitů Výsledek Při takovémto záznamu se běžně rozlišují následující úrovně kvality záznamu: Vzorkovací frekvence
Počet bitů na vzorek
Počet vzorků
Délka dig. záznamu (B/s)
Telephone Quality
11025 Hz
8
1 - Mono
11 kB/s
Radio Quality
22050 Hz
8
1 - Mono
22 kB/s
Kvalita
CD Quality 44100 Hz 16 2 - Stereo 172 kB/s Při záznamu tímto způsobem se využívá Shannonovy vzorkovací věty, která říká: Signál spojitý v čase je plně určen posloupností vzorků odebíraných ve stejných intervalech, je-li jejich frekvence větší než dvojnásobek nejvyšší frekvence v signálu. Uvážíme-li, že lidské ucho vnímá zvuky od frekvencí 20 Hz až do frekvencí 20 kHz, je zřejmé, že frekvence 44 kHz použitá pro CD kvalitu je dostačující. Z výše uvedené věty také vyplývá, že pokud dojde ke snížení vzorkovací frekvence, budou ve výsledném záznamu chybět vyšší frekvence, což se při přehrání projeví jako ztráta výšek. Protože záznam tímto způsobem vede při vyšší kvalitě záznamu ke vzniku velmi dlouhých souborů, existují algoritmy dovolující provést ztrátové komprese, které podstatným způsobem kvalitu výsledného záznamu neovlivní. Tyto komprese je nutné provádět buď po provedení záznamu, nebo kvalitnější karty vybavené speciálními procesory umožňují jejich provedení v reálném čase přímo při záznamu. ●
záznam je prováděn z nějakého zdroje poskytujícího již digitální signál (např. elektronické varhany připojené prostřednictvím MIDI rozhraní). V takovém případě se již neprovádí vzorkování, ale zaznamenávají se přímo jednotlivé byty zasílané tímto rozhraním. Tyto byty obsahují informace, jako jsou: ● nástroj, který tón hraje (piano, housle, varhany, ...) ● výška tónu ● délka tónu ● dynamika úhozu na klávesu ● další Pro přehrání takového záznamu je nezbytné, aby zvuková karta (nebo jiné zřízení) byla schopna podle těchto informací sama vytvářet jednotlivé tóny.
Při vytváření zvuků pomocí zvukových karet je nutné vyjít ze skutečnosti, že u každého hudebního nástroje mají jeho zvuky podobu cyklu, který se skládá ze čtyř částí: ● ● ● ●
Nástup (Attack) Pokles (Decay) Trvání (Sustain) Doznívání (Release)
Konkrétní hodnoty jednotlivých fází cyklu jsou charakteristické pro každý hudební nástroj a je potřeba, aby zvuková karta tyto hodnoty co možná nejpřesněji dodržovala. V opačném případě by zvuky ztrácely na věrnosti.
Části cyklu hudebních zvuků Pro vlastní vytvoření zvuku se využívá dvou rozličných mechanismů: ●
FM syntéza: realizovaná tzv. FM syntetizátorem (obvod OPL 2, OPL 3 nebo OPL 4). Tato metoda vychází z faktu, že každé vlnění lze sestavit složením vybrané série sinusových kmitů o patřičné frekvenci a amplitudě.
Původní zvukový signál Sinusové kmity původního signálu FM syntéza tedy vychází z popisu příslušného hudebního nástroje na základě Fourierova rozvoje, s jehož pomocí se potom zvuk těchto nástrojů emuluje jako superpozice několika sinusových signálů. Takto získaný signál se může ještě dále upravit různými efekty. Jedná se o levnější realizaci, která se svými výsledky zvukům reálných nástrojů pouze blíží a nikdy jich nemůže dosáhnout. Zvukové karty, které používají pouze tento způsob pro vytváření
zvuků, jsou vhodné jen pro amatérské použití (ozvučení her apod.). ●
Wave Table syntéza: používaná u dražších zvukových karet. Tato metoda používá přímo navzorkovaný signál skutečného nástroje uložený ve své vlastní paměti (ROM nebo RAM). Protože je nemožné, aby v paměti byly uchovány vzorky všech výšek tónů od všech nástrojů, je v paměti vždy uložen jeden tón od každého nástroje. Různých výšek tohoto tónu se pak dosahuje různou rychlostí přehrání tohoto vzorku.
Zvukové karty bývaly obzvláště dříve vybavovány ještě IDE rozhraním, které sloužilo k připojení CD-ROM disku nebo speciálním rozhraním pro první CD-ROM mechaniky. Dnes toto řešení nemá velké opodstatnění, protože počítače jsou standardně vybaveny EIDE rozhraním, které dovoluje pohodlnější a rychlejší zapojení mechaniky CD-ROM. V případě, že v počítači je osazena CD-ROM mechanika a zároveň i zvuková karta, je velmi vhodné, aby obě tato zařízení byla propojena pomocí tzv. audio kabelu. Díky tomuto propojení je pak možné na CD-ROM přehrávat zvukové CD a poslouchat je z reproduktorů připojených ke zvukové kartě. Kromě uvedených vlastností mohou být ještě zvukové karty vybaveny pozicemi pro paměťové moduly RAM, do kterých si uživatel může ukládat vlastní vzorky různých nástrojů vytvořené buď elektronickým syntetizátorem nebo vzniklé nějakou úpravou již existujících vzorků. Dále je možné na zvukových kartách vidět i různé specializované obvody pro vytváření různých efektů v reálném čase (např. prostorový zvuk apod.)
