Интерактивное мультимедийное пособие "Энциклопедия звука"

Интерактивное пособие

«Энциклопедия звука»

Гомыжев Константин

Гимназия №75, 9 класс

Научные руководители: учитель физики высшей категории Кабудинова Э. М. учитель информатики высшей категории Домрачева И. Н.

Казань 2011 год

Введение

«Дорога та, что выбрал сам, вовек не позабудется».

Информатизация образования является одним из основных условий, определяющих последующее успешное развитие экономики, науки и культуры. Совершенствование интеллектуальной деятельности за счет использования новых информационных технологий для повышения эффективности обучения и приближения его к реалиям современной жизни приводит к ощутимым результатам.

        Мы уже привыкли к использованию на уроках электронных материалов, в частности, презентаций. Но, как правило, используются они только для создания визуального ряда, эмоционального настроя, т.е. в качестве наглядных материалов. Хотя современное программное обеспечение предоставляет большие возможности. Например, Web-технологии представляют собой прекрасное средство для создания обучающих программ, электронных справочников и учебников, материалов для викторин и конкурсов, позволяют создавать тематические страницы, объединяющие звук, графику, текст, анимацию. Каждый учащийся, учитель может создавать страницы, сайты со своими учебно-методическими и дидактическими материалами, объединить их и получить собственный электронный учебник.

Преимущества использования таких программных продуктов очевидны:

- самостоятельное погружение в предмет, проблему;

- интеграция предметов;

- выбор индивидуального темпа изучения;

- возможность дистанционного изучения;

- возможность осуществления контроля и самоконтроля;

- повышение мотивации и др.

Целью данной работы является создание электронного справочника по звуковым форматам, алгоритмам компрессии аудиофайлов и физическим аспектам звука, в виде web-сайта.

Электронные учебники и справочники подразумевают дальнейшую доработку, расширение  контента, позволяют изучать материал в своем темпе, расширяют кругозор, т.к. выходят за рамки школьного обучения, предоставляют широкие возможности для дистанционного обучения, направляют увлечение информационными  технологиями в образовательное русло, повышают мотивацию.

   Исходя из целей поставлены следующие задачи:

- изучить физику звука, технологию передачи звука и его искажения, основные понятия из области преобразования и динамической обработки аудиосигналов, компрессию и кодирование звука;

- провести тестирование и сделать сравнительный анализ различных форматов сжатия аудиофайлов;

- на основании полученных результатов сделать вывод о преимуществах одного формата перед другим и целесообразности их использования для различных целей;

- изучить приемы сайтостроительства, редактор Front Page, разработать структуру сайта, подобрать контент.

Характеристики звука

Около 15 % информации об окружающем мире человек получает с помощью слуха, используя при этом различные источники звука. В школьном курсе физики звук обычно рассматривается с точки зрения классической науки, однако, на данном этапе развития науки и техники этих знаний недостаточно. Мы все чаще сталкиваемся с такими понятиями как цифровой формат звука и цифровые технологии синтеза и обработки звука, и этим вопросам посвящена данная работа.

В настоящее время активно применяются цифровые технологии и различные методы представления и сжатия аудиофайлов. Каждый из методов синтеза и обработки имеет свою математическую и алгоритмическую модель, что позволяет любой из них реализовать на компьютере.

Разработано множество различных кодеков, мультитрековых редакторов, плееров и кодеров, и, соответственно, множество разнообразных форматов аудиофайлов, разобраться в которых непросто даже специалисту. Каждое приложение и каждый формат имеют свои преимущества и недостатки, которые и исследуются  в работе.

В разделе «Физика звука» рассматриваются характеристики звука: источники, интенсивность и тембр звука, звуковые колебания,  разрешающая способность слуха, бинауральный эффект, нелинейность слуха.

Звуки обладают четырьмя основными свойствами, а именно: 1) высотой, 2) громкостью, 3) длительностью, 4) тембром (или окраской).

        Чаще всего в звуке рассматривается амплитуда и спектральный состав звукового колебания, а также их изменение во времени.

        Амплитуда определяет максимальную интенсивность колебаний – громкость или силу звука. На осциллограмме амплитуда представляется размахом сигнала – наибольшим и наименьшим относительно среднего значения уровнями.

Спектральный состав определяет окраску, или тембр, звука.

Любое периодическое колебание может быть представлено рядом Фурье – суммой конечного числа синусоидальных колебаний (чистых тонов). Спектр звука представляет собой график интенсивностей (амплитуд) этих частотных составляющих, обозначаемых обычно в виде вертикальных линий соответствующей высоты. Спектр чистого тона имеет только одну линию, соответствующую его частоте; спектр любого другого колебаний имеет более одной линии. Если на спектре звука имеется достаточно острый пик, то такой звук воспринимается на слух как тон соответствующей высоты, а остальные составляющие определяют его окраску, в противном случае звук воспринимается как одновременное звучание нескольких тонов или шум.

        Из-за особенностей слухового восприятия высота звука определяется больше по его спектральному составу, нежели по самому основному тону.

        Кроме периодических колебаний – тонов существуют также непериодические колебания – шумы. Для шума характерно более или менее равномерное распределение интенсивности по спектру, без явно выраженных пиков или спадов. В основном различается два вида шума: белый и розовый.

        Белый шум имеет равномерную спектральную плотность и в чистом виде в природных звуках не встречается, однако часто встречается в электронных приборах.

        Розовый шум – это шум дождя, прибоя, ветра и прочих неярко выраженных природных шумов.

        Существует также коричневый шум – звуки ударного происхождения (гром, обвал).

Высота звука пропорциональна частоте основного тона (гармонического колебания), а тембр определяет гармоническим спектром других частот (обертонов), входящих в состав естественного звука. (Приложение 1).

Компрессия аудиофайлов

Аудиофайлы имеют очень большой объем и потому актуальна проблема их компрессии.

Компрессоры, основанные на идее кодирования с потерями качества, преследуют две цели: закодировать аудио так, чтобы сжатые данные занимали как можно меньший объем памяти и звучали при этом как можно более близко к оригиналу. Способы, которыми достигаются эти две цели, могут быть различны, однако все они в результате приводят к тому, что закодированные данные уже не являются оригинальным сигналом, а лишь похоже звучат при воспроизведении (декодировании). Это связано с тем, что в процессе кодирования данные "упрощаются" - из них выбрасываются ненужные слабослышимые или замаскированные детали, а также используются другие методы "облегчения" данных.

           Многие пользователи даже не догадываются, что помимо пресловутого MP3-формата (MPEG-1 Layer III) в области кодирования аудио с потерями качества существует множество других форматов и кодеков. Параллельно с MP3 появились и успешно развиваются не менее, а иногда, и более прогрессивные алгоритмы компрессии звука, по своим возможностям и качеству во многом превосходящие MP3. Один из таких алгоритмов это MPEG-2/4 AAC.

В статье «Тест аудиокодека MP3» содержатся результаты синтетического и несинтетического тестирования аудиофайлов WAV формата, закодированных с использованием технологии MP3Pro и WMA. На основе сравнительного анализа полученных данных, сделаны выводы и разработаны рекомендации, по использованию кодеков. (Приложение 5).

          Все мы слушаем музыку на плеерах, магнитофонах, компьютерах. Многие из нас закачивают музыку на плеер с компьютера в MP3 формате. Почти все осуществляют эту операцию просто перетаскиванием мелодии в папку плеера, не задумываясь о компрессии аудиофайла. Но ведь существует множество форматов воспроизведения и хранения музыки в цифровом формате, со своими плюсами и минусами. В дальнейшем будут рассмотрены разные виды компрессии со своими положительными и отрицательными сторонами.

Тестирование

Характеристики файлов взятых для тестирования

1) Характеристики исходного аудиофайла:

2) После сохранения исходного файла в формате mp3 аудиофайл имеет следующие характеристики:

3) Формат ivc:

4) Формат dig:

5) Формат pca:

6) Формат au:

7) Формат raw:

В приложении 3 можно познакомиться с аудиограммами проведённых исследований.

                Выводы

Вывод: Как видно из диаграммы самое эффективное сжатие аудиофайла даёт формат mp3 (в 4,8 раза), практически не изменяя качество звучания. Вторым по эффективности сжатия можно считать формат ivc (в 4 раза), но низкие частоты начали дребезжать. Формат pca не изменяет качество звука, но сжимает файл с меньшей эффективностью (в 2,2 раза), остальные практически не изменяют файл.

Результатом проделанной работы стало создание электронного интерактивного пособия «Энциклопедия звука», содержащего сведения о физике звука, о современных средствах создания и редактирования звука, задачи, вопросы для самопроверки. Данное пособие можно использовать как на уроках, так и во внеурочной деятельности. Ресурс размещен на школьном сервере.

Структура сайта

Электронный справочник «Энциклопедия звука» представляет собой образец практического применения проведенной исследовательской работы. На страницах сайта представлены следующие разделы.

В разделе  «Технология передачи звука и его искажения» передача звуковой волны рассматривается как передача электрического сигнала, так как свойства всех видов волн одинаковы, подробно рассмотрены возможные линейные и нелинейные искажения сигнала, и способы их уменьшения. (Приложение 2)

В разделе «Звукозапись и обработка звука» рассматриваются основные понятия из области преобразования и динамической обработки аудиосигналов, история эволюции звукозаписи, устройства для звукозаписи, аудиоредакторы. (Приложение 2)

В разделе «Компрессия и кодирование звука» рассматриваются: основное понятие «компрессия», кодирование из разных форматов, параметры кодирования MP3, понятие «битрейт», наиболее распространенные форматы кодирования. (Приложение 2)

В статье «Изменение формата» содержатся результаты исследования эффективности сжатия аудиофайлов при помощи изменения форматов.

Каждая статья заканчивается вопросами для закрепления, в конце каждого раздела предлагается небольшой тест для проверки знаний.

Навигация по сайту возможна через главное меню и с помощью постраничных ссылок. Сайт содержит более 50 страниц. Информационный объем составляет около 50 Мбайт. На главной странице размещена ссылка на презентацию «Физика звука и слуха».