Zvuková karta a jiná zařízení

Zvuková karta

Realizuje kvalitní akustický vstup a výstup nf signálů. Umožňuje z počítače přehrávat zvuk přes periferní zařízení.

Ukázka setu zvukové karty dodávané spolu se sluchátky.

Princip činnosti

Záznam

• při záznamu se zvukový signál vzorkuje (tj. v určitých časových okamžicích se odebere vzorek signálu)

• vzorkovací frekvence (Sampling frequency) - převrácená hodnota udává počet vzorků, které se ze signálu získají za jednotku času

• Shannon-Kotělnikův teorém: vzorkovací frekvence musí být nejméně dvakrát větší než nejvyšší frekvence zaznamenávaného zvukového signálu

• podle velikosti každého vzorku se mu přiřadí určitá hodnota bitů (může být 8 nebo 16 bitová)

• Počet bitů vzorkování - určuje, v kolika úrovních lze kvantovat analogový signál:

1. 8 bitů … 256 úrovní
   
2. 16 bitů … 65 536 úrovní
   

• Na vzorkovací frekvenci a počtu bitů závisí přenosová rychlost

1. při 8bitovém převodníku a … 44 kB/s
   
2. při 16bitovém převodníku a … 88 kB/s
   
3. při požadavku na stereofonii signálu se přenosová rychlost zdvojnásobuje!
   

• čím více úrovní, tím lze dosáhnout vyšší dynamiky nf signálu:

1. 8 bitů … 256 úrovní …
   
2. 16 bitů … 65 536 úrovní …
   

Přehrávání

• podle velikosti jednotlivých vzorků se na výstup zvukové karty nastaví hodnota napětí

• změny tohoto napětí jsou reproduktory přeměněny na zvuk

• na velikosti vzorkovací frekvence a bitové hloubky závisí kvalita výsledného zvuku

Ukládání zvuku do souboru a jeho velikost:

• 6 b, stereo Þ přenosová ryhlost 2 × 88 kB/s = 176 kB/s

• 5 minut záznamu: 5 × 60 = 300 s, 176 × 300 = 52 MB

• Pro ukládání zvuku do souboru se provádí komprimace - v reálném čase ji provádějí obvody kodeků (COmpress-DECompress) - komprese a dekomprese. Tyto obvody bývají součástí tzv. signálových procesorů.

Doplňkové funkce zvukových karet

• generování zvuků pomocí syntezátoru (frekvenční syntéza - frekvence základní harmonické je ovlivňována dalšími signály)

• možnost akustického vstupu (typicky mikrofon - mono (na kartě bývá zesilovač), line - stereo (kvalitnější, bez zesilovače))

• rozhraní MIDI (Musical Instruments Digital Interface) - rozhraní pro hudební nástroje

• Činnost zvukových karet je podporována programově:

1. přehrávací programy
   
2. syntezátory
   
3. mixážní pultíky
   
4. programy pro podporu MIDI (sekvencery)
   
5. notátory (z akustického průběhu notový záznam)
   

Součásti zvukových karet

• Digital Signal Processor (DSP) - většina výpočtů

• Digital-to-Analog Converter (DAC) - DA převodník

• Analog-to-Digital Converter (ADC) - AD převodník

• Read-Only Memory (ROM) nebo Flash memory jako paměť

• Musical Instrument Digital Interface (MIDI) pro připojení externího nástroje (většinou polečné pro herní port)

• konektory pro připojení repro, mikrofonu… (3,5mm Jack konektor)

USB zvukové karty

• náhrada běžné zvukové karty, často využívané v notebooku, případně doplnění malých počítačových stanic, které umožňují pouze dvoukanálový stereo výstup

• výhoda možnosti přenosu, vlastní ovladače karty umožní širší možnost nastavení než integrované zvukové karty

• malé USB zvukové karty se častěji přehřívají

• vhodnější vyšší investice do zvukové karty pro lepší a kvalitnější poslech

Externí zvuková karta Creative s optickým SPDIF vstupem.

Dolby Digital

Znázornění DolbyDigital ve formě rozložení reproduktorů [8].

• označení ztrátové komprese zvuku využívající celkem 6 kanálů

• zvukový přenos je rozdělen do 5 stejných reproduktorů s plným rozsahem a jedním s rozsahem nízkých frekvencí nazývaný subwoofer (frekvence do 120Hz)

• nejčastěji v sestavě 5.1 nebo 7.1

• dříve nebylo standardem, dnes je však běžně obsaženo v notebooku, smartphonech, televizním vysílání atd.

[1] - BUCHA, Pavel. Nové komponenty e-kurzu pro předmět Periferní zařízení : bakalářská práce. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta pedagogická, 2015, 68 l., 2 l. příl., Vedoucí bakalářské práce: Ing. Petr Michalík, Ph.D.

[8] VAŇÁČEK, Jiří. Wikipedie [online]. 1.4.2007 [cit. 1.4.2017]. Dostupný na WWW: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ab/Konfigurace_zvukov%C3%A9ho_form%C3%A1tu_Dolby_Digital_5.1.png

Licence - CC BY-SA 3.0 

Reproduktory

Slouží k přeměně elektrického signálu na akustický, nejčastěji se používají elektrodynamické reproduktory.

Průřez reproduktorem a rozpis jednotlivých komponent reproduktoru [9].

Princip reproduktoru

• změnou proudu procházejícího cívkou se kolem cívky vytváří magnetické pole, které reaguje s magnetickým polem permanentního magnetu

• na cívku tak působí síla, která ji začne vychylovat

• cívka je nalepena na membránu, spolu s cívkou se membrána  a rozechvívá vzduch

• pro vysoké frekvence se u lepších soustav využívají piezoelektrické měniče

• piezoelektrický jev způsobuje, že po zavedení elektrického napětí na speciálně vybroušený krystal se krystal zdeformuje

• díky malé velikosti krystalu jsou jeho deformace rychlé a může tak dobře reprodukovat vysoké signály

Subwoofer

Subwoofer se zesilovačem (monoblokem) a bassreflexem. Reproduktor je vhodný pro umístění do automobilu.

• na frekvenci zvuku závisí velikost reproduktoru

• nízké kmitočty s velkou vlnovou délkou mohou generovat jen velké reproduktory

• proto se v poslední době zavádí subwoofery s jedním velkým reproduktorem (u nízkých kmitočtů není lidské ucho schopné rozlišit směr odkud přicházejí, proto stačí pouze jeden

• využívá se pro kmitočty mezi 30 - 120 Hz

Bassreflex

Ukázka principu bassreflexu [1].

• slouží ke zvýraznění hlubokých kmitočtů

• využívá se otvoru v bedně, kterou může vzduch proudit bez jakýchkoliv překážek

Soustavy reproduktorů

• počet reproduktorů se udává dvěma čísly

• 5.1 znamená 5 satelitů (malé reproduktory na střední a vyšší kmitočty) a jeden subwoofer

• dříve stačily soustavy typu 2.0

• s možností přehrávat na PC hudbu a filmy se počítačové sestavy přiblížily sestavám domácího kina

• dnes jsou reproduktory prodejné v sestavách 2.1, 5.1, 7.1 (vždy záleží na zvukovém zdroji, jaké množství reproduktorů zvládne)

Reproduktory 2.0.

• objevili se sestavy 2.1, 4.0, 4.1

Ukázka nejvyužívanějších sestav ať už k počítači nebo jako domácí kino.

• standardem se stalo 5.1

• nejlepší zvukové karty podporují 7.1

• občas se objeví i karta 7.2 (z důvodu, že člověk je trochu schopný odlišit i směr hlubokých signálů)

[1] - BUCHA, Pavel. Nové komponenty e-kurzu pro předmět Periferní zařízení : bakalářská práce. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta pedagogická, 2015, 68 l., 2 l. příl., Vedoucí bakalářské práce: Ing. Petr Michalík, Ph.D.

[9] SVJO. Wikipedie [online]. 7.3.2014 [cit. 1.4.2017]. Dostupný na WWW: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/Loudspeaker-bass.png?uselang=cs

Licence - CC BY-SA 3.0 

Mikrofon

Slouží jako převodník zvuku na elektrický signál, např. k zaznamenání řeči do počítače.

Ukázka mikrofonu používaného k počítači, dnes využíváme integrované ve webkamerách nebo sluchátkách.

• v poslední době se využívá při telefonování přes internet nebo při video konferencích

• používá se piezoelektrických mikrofonů

• využívá se jevu obráceného než u reproduktorů

• zvuk rozvlní krystal a na jeho koncích se objeví elektrické napětí stejného průběhu jako zvuk

• i když se používá stejného konektoru, jako u reproduktorů není jeho zapojení stejné!!!

• je třeba dávat pozor při zapojování, aby nedošlo k poškození mikrofonu nebo reproduktorů

Druhy mikrofonů:

Dynamický mikrofon

Ukázka dynamického mikrofonu [10].

• využívá se převážně u silnějších zdrojů signálu, nebo v těsné blízkosti

• je nutnost vyšší vstupní ziskovost předzesilovače

• dosahují poměrně vysokého šumu

• skládají se z kruhové plastové membrány spojenou s cívkou z tenkého drátu

• cívka se pohybuje ve štěrbině permanentního magnetu

• cívka je na obou koncích připojena, jejím pohybem vzniká elektrický proud přenášený do předzesilovače

Kondenzátorový mikrofon

Ukázka kondenzátorového mikrofonu s pop filtrem [11].

• často využívaný v nahrávacím studiu, má velmi vysokou citlivost

• nízký šum, obsahuje dvě membrány

• dvě kovové destičky jsou odděleny od sebe izolantem a uchovávají elektrický náboj

• díky změně vzdálenosti mezi destičkami se mění napětí mezi nimi

• měnící napětí je dále předáváno do FET tranzistoru nebo elektronkového předzesilovače

Páskový mikrofon

Ukázka principu páskového mikrofonu [12].

• nejpřirozenější zvuk pro snímání symfonické hudby

• funguje obdobně jako dynamický mikrofon

• membrána a cívka je nahrazena magnetickým vodivým páskem

• pro nízké napětí je v mikrofonu obsažen převodní transformátor

[10] BAAS, Erik. Wikipedie [online]. 21.6.2006 [cit. 1.4.2017]. Dostupný na WWW: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/80/Dynamic-microphone-senn-rotated.jpg

Licence - CC BY-SA 3.0 

[11] EQUATIONAUDIO. Wikipedie [online]. 20.1.2009 [cit. 1.4.2017]. Dostupný na WWW: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/17/Ea_f20_microphone.jpg

Licence - CC BY-SA 3.0 

[12] AMUNAK. Wikipedie [online]. 9.1.2012 [cit. 1.4.2017]. Dostupný na WWW: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/58/P%C3%A1skov%C3%BD_mikrofon.svg/1200px-P%C3%A1skov%C3%BD_mikrofon.svg.png

Licence - CC BY-SA 3.0