Płyta CD

Na płycie CD, dźwięk zapisywany jest w postaci cyfrowej, uzyskiwanej za pomocą zamiany sygnału analogowego na cyfrowy metodą PCM (ang. Pulse Code Modulation).

Konwersja AC

W skrócie zamiana taka (konwersja AC) polega na pomiarze wartości chwilowej sygnału w równych odstępach czasu (próbkowaniu) a następnie przypisaniu zmierzonej wartości pewnej liczby (kwantyzacja). O jakości konwersji decydują: częstotliwość próbkowania (jak często mierzymy sygnał) oraz to jak duża liczba służy do kwantowania. Standardowy zapis na płycie CD (bo są także inne), jest reprezentacją dźwięku (a właściwie sygnału, który po wzmocnieniu i dotarciu do głośników stanie się dźwiękiem) próbkowanego z częstotliwością 44.1 kHz przy zastosowaniu liczby 16 bitowej.

Teoria mówi (kryterium Nyquista), że taka częstotliwość próbkowania nadaje się do reprezentowania dźwięku, którego składowe o najwyższej częstotliwości są ok. 20KHz (połowa częstotliwości próbkowania) a liczba 16 bitowa pozwala na odwzorowanie jego dynamiki (stosunek amplitudy maksymalnej do minimalnej) w skali ok. 90dB.

Decybele

Służą do wyrażania stosunku dwóch wartości.

Czemu, we wzorze jest 20 – nie każcie mi tłumaczyć, wynika to ze związku miedzy mocą a napięciem – załóżmy, że tak jest. Największa liczba 16 bitowa to 65535, odejmując jeden bit na znak, okaże się, że „najgłośniejsza” próbka PCM ma wartość 32767, najcichsza 1 a ich stosunek w decybelach wynosi 90.30873362. To jednak czysto „matematyczny” ideał, w rzeczywistości dynamika jest nieco mniejsza.

Co zapisane

Uwaga. Na razie opisywałem tylko to, co na płycie jest zapisane, a nie to co słychać. Dla prostoty możemy założyć, że wav – plik dźwiękowy na komputerze - jest tym, co zapisano na płycie, a nawet więcej. Jest zapisem sygnału (napięcia) w przewodzie biegnącym do głośnika. „Wysoka” i „gęsta” sinusoida, to głośny dźwięk o wysokiej częstotliwości (membrana głośnika drga z dużą amplitudą i częstotliwością) a sinusoida „niska” i „rzadka” to cichy, niski dźwięk (membrana drga lekko, z niską częstotliwością). Muzyka nie jest sinusoidą, więc zarówno zapis na płycie, w pliku wav oraz drgania membrany głośnika nie są takie proste, ale analogia działa – „fale”, które widać w pliku wav, to jakby drgania membrany, głośnik gra i buczy a my słyszymy.

Co słychać

Tu zaczynają się schody, bo wbrew pozorom człowiek nie słyszy amplitudy, słyszy natomiast wartość skuteczną dźwięku (całka z kwadratu sygnału) a nawet gorzej. O poziomie głośności decyduje jeszcze częstotliwość, okazuje się bowiem, że wrażliwość ucha ludzkiego na dźwięki o różnych częstotliwościach bardzo się zmienia. Obrazują to krzywe zwane izofonami a wynika z nich, że najlepiej słyszymy częstotliwości 2-5kHz (gadanie) a schody polegają na tym, że te same poziomy głośności dźwięku wydobywającego się z głośnika (SPL – ang. sound pressure level), wyrażone w dB, dają różne poziomy głośności odbierane przez ucho (fony), wyrażone także w dB. Np. 60dB z głośnika przy 1kHz (mniej więcej c3) słyszymy także jako 60dB, ale przy 100Hz (mniej więcej małe c) słyszymy ten dźwięk jako 40dB. Czy różnica jest duża? Oj tak. 6dB to 2 razy głośniej a 20dB, to … 10 razy głośniej!