двоичное кодирование звуковой информации
методическая разработка по информатике и икт (9 класс) по теме

Сценарий урока «Двоичное кодирование звуковой информации»

Цель  урока: Сформировать новые знания и умения по теме «Кодирование звуковой информации»

 Задачи:

Образовательные:  

1. осмыслить принципы двоичного кодирования звука и  разобрать процесс оцифровки звука;
2. сформировать навык видеть проблему, вырабатывать гипотезу и наблюдать;
3. сформировать представление учащихся о способах обработки звуковых файлов;

  Развивающие:

1. развивать познавательный интерес и внимание школьников;
2. развивать наблюдательность, аналитические навыки;
3. продолжить развивать умения учащихся применять компьютер для решения конкретных задач;
4. создать у учащихся положительную мотивацию к выполнению умственных и практических действий;
5. помочь развитию интереса у учащихся не только к содержанию, но и к процессу овладения знаниями;

 Воспитательные:

1. продолжить формировать эстетическую и художественную культуру учащихся средствами компьютера;
2. воспитывать самостоятельность, усидчивость, внимание.

Предметные результаты:

Знать:

3. особенности кодирования звуковой информации;
4. основные понятия звуковой информации: дискретизация звука и ее частота, оцифровка звука, звуковой адаптер.

Уметь:

5. решать задачи на кодирование звуковой информации;
6. основные понятия звуковой информации: дискретизация звука и ее частота, оцифровка звука, звуковой адаптер.

Метапредметные результаты:

1. выделять свойства явлений, объектов;
2. сравнивать характеристики  по выделенным признакам.
3. анализировать полученные результаты.

Тип урока: формирование новых знаний и умений.

Формы работы учащихся: фронтальная, индивидуальная.

Необходимое техническое оборудование: мультимедийный проектор, экран,  колонки, компьютеры с наушниками.

Дидактические средства:  презентация.

I.  Прослушивание 2-х звуковых файлов, подведение к теме урока.
Предлагаю прослушать 2-х звуковых файла (отрывки из известного музыкального произведения) с различной частотой дискретизации: 1) 01.wav (44.1 кГц); 2) 02.wav (8 кГц). Отрывок из какого произведения сейчас прозвучал? («Лунная соната», Бетховен). Какие различия заметили? Почему? Сегодня на уроке мы ответим  на вопрос: от чего зависит качество звучания звуковых файлов. Тема урока: «Двоичное кодирование звуковой информации».

II. Актуализация знаний.

Для того чтобы рассмотреть процесс кодирования в компьютере звуковой информации, необходимо представлять себе, какова физическая природа звука. Для этого освежим в памяти знания, полученные вами на уроках физики в 9 классе при изучении темы «Звуковые колебания». 

Каждая пара учащихся получает карточки с вопросами и в течение минуты отвечает  на три вопроса (приложение 1)

В ходе фронтальной беседы с классом отвечаем на вопросы и вспоминаем:

- Какова физическая природа звука?

У всех источников звука имеются колеблющиеся части, которые приводят в колебательное движение частицы окружающей среды (воздуха) → распространяющаяся звуковая волна вызывает колебательное движение барабанной перепонки уха человека, которое воспринимается мозгом как звук → не все источники колебаний являются источниками звука (птица, бабочка, летучая мышь) → звук – механические колебания в частотном диапазоне от 16 Гц до 22000 Гц.

- Какие характеристики звука вам известны и чем они определяются?

Громкость звука определяется амплитудой колебаний. Для человека звук тем громче,    чем больше амплитуда колебаний частиц в волне.

Высота звука определяется частотой колебаний. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук

III. Объяснение нового материала.
Итак, мы выяснили, что звук представляет собой волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Для человека звук тем громче, чем больше амплитуда сигнала, и тем выше тон, чем больше частота сигнала.

Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный (аналоговый) звуковой сигнал должен быть преобразован в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

Процесс преобразования звуковой волны в двоичный код в памяти компьютера осуществляется в два этапа. Звуковая волна поступает в микрофон, который преобразует механические колебания частиц воздуха в переменный электрический ток (аналоговый сигнал). Громкость звука будет влиять на амплитуду колебаний тока, а высота звука – на частоту колебаний.

Для возможности обработки компьютером необходимо преобразовать непрерывно меняющийся ток в конечный набор электрических импульсов определённой величины. Для этой цели используется звуковая карта (аудиоадаптер).

 Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в дискретный (прерывистый) называется временной дискретизацией.

   При воспроизведении звука осуществляется обратный процесс.Звуковая карта согласно поступающему двоичному коду формирует соответствующее переменное напряжение, подача которого на динамик вызывает колебательное движение его мембраны, вследствие чего в окружающем пространстве возбуждается звуковая волна.

Рассмотрим подробнее процесс преобразования переменного электрического тока звуковой частоты, создаваемый микрофоном  в двоичный код, выяснив, что будет влиять на качество сохраняемого в компьютере звука.

Для преобразования непрерывного сигнала в дискретный в звуковой плате производится измерение значения силы тока через определённые промежутки времени (период дискретизации). Вплоть до следующего измерения величина сигнала будет неизменной. Данный метод называется импульсно-амплитудной модуляцией PCM (Pulse Code Modulation).

В результате временной дискретизации на выходе звуковой платы формируется прерывистый (дискретный) сигнал.

Можно заметить, что в результате временной дискретизации первоначальная гладкая кривая преобразовалась в ступеньчатую линию. Следовательно, первоначальный сигнал изменился (качество звука ухудшилось).

Рассмотрим, как будет влиять на качество звука уменьшение времени между измерениями силы тока (измерения будут производиться более часто). 

Количество измерений уровня звукового сигнала за 1 секунду называют частотой дискретизации.

Сравним форму дискретного сигнала при различных частотах дискретизации с первоначальным аналоговым сигналом:

    В ходе фронтальной беседы с классом приходим к выводу: чем больше частота дискретизации, тем качество оцифрованного звука лучше.

При осуществлении дискретизации по времени через период дискретизации производится измерение уровня громкости, каждый из которых должен быть запомнен компьютером.

Как можно заметить, количество уровней громкости будет расти с увеличением частоты дискретизации и времени звучания. Попытка сохранения произвольного количества уровней громкости, полученных при дискретизации по времени, приведёт к бесконечно большому размеру аудиофайла.

С целью уменьшения размера аудиофайла выделим фиксированное количество уровней громкости, которые должны быть запомнены компьютером и при осуществлении временной дискретизации будем заменять значение уровня громкости при очередном измерении наиболее близким из доступных фиксированных значений (для наглядности рассмотрим 4 уровня сигнала).

   Можно заметить, что форма сигнала при выделении 4 уровней громкости существенно изменилась. Осуществим тот же процесс, но выделив 8 уровней громкости:

Количество информации, которое потребуется компьютеру для кодирования N уровней громкости можно найти по известному соотношению N=2I

 Количество информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука называют глубиной кодирования звука.

Сделаем вывод о влиянии количества уровней громкости на качество кодируемого звука

В ходе фронтальной беседы с классом приходим к выводу: чем больше глубина кодирования, тем качество оцифрованного звука лучше.

В зависимости от частоты дискретизации и глубины кодирования качество звукового сигнала может меняться от качества соответствующего радиотрансляции (8 бит; 8 кГц) до качества звучания CD-диска (16 бит; 44,1 кГц) и DVD-аудио диска (24 бит; 192 кГц)

Учитывая, что объём аудиофайла пропорционален частоте дискретизации, глубине кодирования и длительности звучания можно записать формулу для подсчёта размера звукового файла:

  V=k·ν·I·t

где V – размер (объём) звукового файла (в битах)

       k – количество дорожек в записи (k=1 – моно, k=2 – стерео)

       ν – частота дискретизации (в Герцах)

       I – глубина кодирования (в битах)

       t – время звучания (в секундах)

IV. Решение задачи. Оценка объёма звукового файла.

Определить объём памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет две минуты при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрешении 16 бит.

Решение:

44,1 кГц = 44100 Гц

2 мин  = 120 с

V = k ν I t = 44100 Гц·16 бит·120 с = 84672000 бит  =10584000 байт ≈ 10335,9 Кб ≈ 10,1 Мб

Ответ: V = 10,1 Мб

Как видим, звук при кодировании его в компьютере будет иметь достаточно большой информационный объём. При записи с микрофона или извлечении из аудио компакт диска средствами ОС Windows получаются достаточно объёмные звуковые файлы с расширением WAV (от WAVeform-audio – волновая форма аудио).

С целью уменьшения объёма звуковых файлов были разработаны методы компрессии, позволяющие существенно сжимать звуковые файлы с некоторой потерей качества.

Самостоятельная работа.

Одна минута записи звуковой информации занимает на диске 1,3 Мбайта, глубина кодирования равна 16. С какой частотой дискретизации записан звук?

 Решение.

1,3 Мб=1,3*1024*1024*8=10905190,4 бит

ν=10905190,4:16:60=11359,5 Гц≈11,36 кГц

V.  Практическая работа.

1. Открыть программу «Звукозапись» (Пуск – Все программы - Стандартные – Развлечения). Открыть в ней файл «Эхо1» и сохранить его в трех разных вариантах по качеству:

а) 1 - телефонная линия

б) 2 - радиотрансляция

в) 3 - компакт-диск

   Указать в каждом варианте: объем, частоту, глубину в бит и кбит, вариант звука

2) Указать у файлов тип, расширение, объем и качество звука

6. Рефлексия.

Вернёмся к началу урока и попробуем ответить на вопросы:

В чём различие между «живым» звуком и оцифрованным?

(в оцифрованном звуке имеется искажение сигнала вследствие временной дискретизации и сжатия)

Что влияет на качество оцифрованного звука?

(качество звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации)

Почему диски формата mp3 содержат гораздо больше музыки по сравнению с обычными музыкальными дисками?

(музыка в формате mp3 имеет значительно меньший объём за счёт сжатия, учитывающего психологические особенности восприятия звука человеком)

7.  Домашнее задание.
   1) параграф 2.13, стр. 116 учебника Угринович Н.Д., ответьте на вопросы; 2) Задача: какой объем памяти требуется для хранения цифрового аудиофайла с записью звука высокого качества при условии, что время звучания составляет 3 минуты?
   VIII. Подведение итогов.

   Безусловно, оценка качества звучания – во многом субъективна и зависит от нашего восприятия. Компьютер, так же как и человек, кодирует звуковую информацию с целью хранения и последующего воспроизведения. Подумайте, а в чем разница между звуковой информацией, хранимой в памяти ПК и в памяти человека? (Ответ: у человека процесс кодирования звука тесно связан с эмоциями).
Таким образом, компьютер хранит звук, а человек музыку!!! Музыка - единственный язык, на котором душа говорит с душою (Бертольд Авербах). И прав был Норберг Винер, призывая отдать машине – машинное, а человеку – человеческое.

Приложение 1.

Это мы проходили … (источники звука)

1. Что образуется в воздухе вокруг колеблющегося тела?
2. Какие из перечисленных объектов не являются источниками звука? (камертон, птица, пчела, музыкальные тарелки, скрипка, летучая мышь, колокольчик, бабочка)
3. Значение какой физической величины определяет принадлежность колеблющегося тела к источникам звука?

Это мы проходили … (громкость звука)

1. Что издаёт более громкий звук:

- яростно ударяющий в барабан первобытный человек или мальчик, тихонько ударяющий в барабан?

- большой церковный колокол или сувенирный колокольчик?

2)  Что можно сказать об амплитуде колебаний стенок барабана первобытного человека по сравнению с амплитудой колебаний в барабане мальчика, амплитуде колебаний стенок церковного колокола по сравнению с амплитудой колебаний стенок сувенирного колокольчика?

3)  Какая физическая величина определяет громкость звука?

Это мы проходили … (высота звука)

1.  Какие из объектов в перечисленных парах источников звука издают более высокие звуки:

Шмель – Комар

Бас-гитара – Флейта

Певец – Певица

2.  Что можно сказать о частоте колебаний:

- крыльев комара по сравнению с крыльями шмеля

- струн бас-гитары по сравнению с «язычком» флейты

- голосовых связок певца по сравнению с голосовыми связками певицы

3)  Какая физическая величина определяет высоту звука?