Звуковые карты - предварительные сведения (начало)

(Информация датирована 1996 г.)

Для воспроизведения звуковой информации - музыки, речи и т.д., в компьютере должны быть установлены звуковые карты и акустические системы (колонки). Однако перед их обсуждением нам надо изложить некоторые предварительные сведения.
Что такое звук
Звук - это воспринимаемые человеческим ухом колебания воздуха с частотой от 16 до 25000 Гц. В природе не бывает чистых звуков, то есть звуков одной частоты. Каждый звук является сложной смесью колебаний различной частоты, интенсивности (амплитуды) и фазы.
Способы записи звука
Когда говорится, что звуковые карты позволяют воспроизводить и записывать звук, стоит уточнить, что именно имеется в виду. Дело в том, что человечество придумало три способа записи звука. Два способа - письменность (для записи речи) и ноты (для записи музыки) были изобретены еще в древности. Третий способ - запись произвольных звуковых колебаний, - был открыт в XIX веке Т.Эдисоном и применяется в магнитофонах, проигрывателях грампластинок, аудио компакт-дисках и т.д. Запись звуковых колебаний наиболее универсальна, но тексты и ноты имеют свои преимущества, и весьма существенные (например, вы читаете книгу, а не слушаете магнитофонную кассету с записью ее текста).
Функции звуковых карт
Звуковые карты предоставляют аппаратные средства для записи и воспроизведения следующих видов информации о звуке:

Говоря вкратце, звуковая карта позволяет компьютеру выполнять функции магнитофона и электромузыкального инструмента. Ниже мы разъясним содержимое приведенной таблицы более подробно.
Запись и воспроизведение звуковых колебаний
Звуковая карта может воспринимать преобразованные в электрическую форму звуковые колебания - к ней можно подключить микрофон, магнитофон, проигрыватель грампластинок, проигрыватель компакт-дисков и т.д. Полученный сигнал она может воспроизводить и/или преобразовывать в цифровую форму, записывая "оцифрованные" данные в файл на диске, передавая их той или иной программе и т.д.
Звуковая карта может и воспроизводить оцифрованные (содержащиеся в компьютере) записи звуковых колебаний. Для этого специальная схема на звуковой карте компьютера - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), - преобразует цифровую запись звука в аналоговую форму. Полученные аналоговые колебания усиливаются соответствующим усилителем (располагающимся на звуковой карте, встроенным в колонки или находящимся отдельно), усиленный звуковой сигнал подается на акустические системы (колонки).
Как выполняется запись
Для преобразования входного электрического сигнала в цифровую форму звуковая карта (точнее, специальная схема на ней - аналого-цифровой преобразователь, АЦП) измеряет напряжение этого сигнала через равные и очень малые промежутки времени. Частоту измерений этого напряжения (число измерений в секунду) называют частотой дискретизации. Чаще всего частота дискретизации равна 44,1 кГц (44100 измерений в секунду), именно такая частота используется для записи звука на аудио компакт-диски. Затем результат каждого измерения округляется до ближайшего значения в выбранной шкале измерений. Обычно применяется дискретная шкала из 216значений, то есть для записи каждого измеренного значения звукового давления используется два байта (16 бит информации). Результаты передаются соответствующей программе или записываются в сжатом виде на жесткий диск компьютера. Например, в Windows файлы с записью звуковых колебаний имеют расширение .WAV. Эти файлы имеют большой объем, несмотря на сжатие данных, - несколько десятков Кбайт на каждую секунду звучания.
Как выполняется воспроизведение
Цифро-аналоговое преобразование при воспроизведении звука на большинстве звуковых карт выполняется самым простым способом (элементарно, Ватсон!). ЦАП с соответствующей скоростью (скорость выборки) просматривает цифровую запись звука и в ходе этого просмотра генерирует для текущего (считываемого в данный момент) закодированного в записи уровня звукового давления соответствующее напряжение. В результате получается аналоговый ступенчатый сигнал. Он сглаживается каким-нибудь несложным аналоговым фильтром, и получается сигнал, похожий на тот, который был закодирован при цифровой записи звука.
Качество получаемого звука
Разумеется, при преобразовании звука из аналоговой формы в цифровую и наоборот возникают некоторые искажения. Однако в деловых приложениях или при выводе спецэффектов в компьютерных играх эти искажения несущественны: воспроизведение речи получается вполне разборчивым, а крики, вопли и стрельба в компьютерных играх - громкими и впечатляющими. А вот при воспроизведении музыки эти искажения весьма портят впечатление: звучание становится искусственным, смазанным, с металлическим оттенком. Конечно, с этими искажениями можно бороться, что и делается в аудиоаппаратуре (проигрывателях аудио компакт-дисках и цифровых магнитофонах). Однако для звуковых карт тратить деньги на улучшение качества звукового тракта и борьбу с искажениями не имеет смысла: наслаждаться музыкой под стук клавиатуры и гудение вентилятора все равно не получится. Поэтому качество трактов записи и воспроизведения звука в звуковых картах и компьютерных колонках - приблизительно такое же, как у переносных магнитол, если не хуже. Лишь несколько фирм (Roland, Turtle Beach, Ensoniq, Yamaha и др.) производят звуковые карты, по качеству сопоставимые с бытовой аудиоаппаратурой среднего класса. Так что слушать аудио компакт-диски лучше не на компьютере, а на аудиоаппаратуре, которая для этого, собственно говоря, и создана.
Технические характеристики записи и воспроизведения
Различные звуковые карты отличаются друг от друга по следующим характеристикам:

максимальной частоте выборки или сэмплинга (sample rate) при воспроизведении звука - чем большая частота выборки используется, тем более натуральным может быть воспроизведение звука. Обычно звуковая карта поддерживает частоту выборки 44,1 кГц (такая частота используется в компакт-дисках), а некоторые звуковые карты - также и частоту выборки 48 кГц (как в цифровых магнитофонах). Старые звуковые карты (скажем, первые модели Sound Blaster, Sound Blaster Pro и т.д.) поддерживали частоту выборки только 22,05 кГц, что явно недостаточно (при этом звуки с частотой более 10 кГц вообще не воспроизводятся);
максимальной частоте дискретизации при записи звука - чем большая частота дискретизации используется, тем менее искаженной получится запись. Обычно звуковая карта поддерживает запись звука с частотой дискретизации 44,1 кГц, но многие старые звуковые карты обезпечивают запись звука только с частотой дискретизации 22,05 кГц или даже меньше. При такой записи все верхние тона звука будут потеряны, что не сказывается лишь при записи речи (кроме очень высоких женских и детских голосов);
максимальной разрядности звука при записи и воспроизведении. Разрядность звука - это число двоичных разрядов, используемых для измерения уровня звукового давления. Большинство современных звуковых карт поддерживает 16-разрядную и 8-разрядную запись и воспроизведение звука, а многие старые карты - только 8-разрядную. 8-разрядные записи звука годятся лишь для записи речи;
возможности стереовоспроизведения и стереозаписи - многие старые звуковые карты таких возможностей не обезпечивают или же обезпечивают в ограниченном объеме (скажем, при монофоническом воспроизведении частота выборки может быть 44,1 кГц, а при стереофоническом - только 22,05 кГц).

Замечания. 1. То, чего производители звуковых карт обычно не указывают, а если указывают, то часто врут, - это показатели качества тракта записи-воспроизведения звука. Один знакомый автора, работающий в сервисном центре по ремонту компьютеров, ради интереса замерял соответствующие характеристики (уровень шума, коэффициент нелинейных искажений, взаимовлияние каналов и т.д.) на многих проходящих через его руки звуковых картах. По его словам, если за пятерку принять качество его музыкального центра (среднего класса, вовсе не "high end"), то большинство звуковых карт заслуживают в лучшем случае тройки. Лишь некоторые звуковые карты (фирм Roland, Turtle Beach, Advanced Gravis, Ensoniq, Yamaha и др., причем вовсе не все карты этих фирм) заслужили у него четверку с плюсом или даже пятерку с минусом. Продукция фирмы Creative Labs устойчиво оценивается на четверку (иногда с плюсом, иногда с минусом). А продукция многих других фирм либо неоднородна (наряду с вполне добротными изделиями есть и явная халтура), либо вообще никуда не годится (особенно это относится к дешевым картам китайского производства).
2. Звуковые карты обезпечивают лишь один (моно) или два (стерео) канала записи-воспроизведения звука. Имеются и системы на базе IBM PC-совместимых компьютеров для полупрофессиональной записи и обработки звука (фирм Digidesign, Yamaha и др.). Эти комплексы, в отличие от звуковых карт, обезпечивают многоканальную (8, 16 или более каналов) запись звука, более качественные и "чистые" тракты записи звука, запись звука с точностью 24 разряда (а не 16) и с повышенной частотой дискретизации (это обезпечивает существенное снижение погрешностей при преобразовании звука в цифровую форму). Правда, и стоят такие комплексы на порядок дороже звуковых карт (несколько тысяч дол.).