Semnalele audio digitale sunt prezente peste tot în lumea modernă – telefoane, televiziune, sonare şi pe Spotify. Deşi a revoluţionat felul în care ascultăm muzică, conversia undelor în unu şi zero e un proces surprinzător de simplu. Iată ştiinţa sunetului.
Ce e sunetul?
Sunetul e o oscilaţie de presiune propagându-se printr-un mediu compresibil, fie că e gaz, lichid, solid sau chiar plasmă. Acesta e motivul pentru care în spaţiu nu te poate auzi nimeni cum strigi – nu există un mediu de propagare a oscilaţiilor. În condiţii normale, lungimea de undă a sunetului e cuprinsă între 17m şi 17mm, deşi urechea umană e limitată la perceperea frecvenţelor cuprinse între 20Hz şi 20.000Hz.
Inventarea în 1937 a modulaţiei impulsurilor în cod, mecanismul de bază al digitizării sunetului, îi e atribuită omului de ştiinţă britanic Alec Reeves. Dar natura folosea deja de mult sunetele digitale, în urechea umană. Când vorbim, cozile vocale vibrează moleculele de aer ce ies din plămâni. Această vibraţie afectează moleculele de aer din apropiere cauzând o reacţie în lanţ, ca o undă de şoc formată din molecule comprimate ce se extind din gură până ajung la o ureche. Când se întâmplă asta, unda acustică vibrează timpanul, care traduce acele vibraţii în semnale electrice. Creierul recunoaşte asta ca fiind sunet, iar frecvenţa vibraţiilor determină înălţimea sunetului pe care îl auzim. Astfel, o undă acustică analogică e transformată într-un semnal electric – ca un semnal audio digital natural.
Sistemele construite de om însă, cuprind un trio de dispozitive care recreează mecanic acest proces – mai exact, un microfon, un amplificator şi un difuzor.
Cum funcţionează microfonul?
Microfoanele funcţionează ca urechea umană. Presiunea creată de undele sonore vibrează o diafragmă subţire din metal, care e învelită într-o bobină de sârmă şi e situată lângă un mic magnet. Mişcarea diafragmei generează un câmp magnetic ce produce, la rândul lui, curent electric. Curentul merge pe fir într-un amplificator ataşat.
Ce face amplificatorul?
Curentul creat de microfon e slab, prea mic ca să acţioneze direct difuzoarele. Amplificatorul măreşte semnalul audio de la microfon şi îl transformă într-un curent mai mare. Cantitatea de curent adăugat e determinată de sursa de alimentare a amplificatorului – amplificatoare mai puternice generează un sunet mai puternic. Pe lângă asta, amplificarea semnalului afectează pozitiv şi calitatea sunetului, rezultând un sunet mai puternic şi mai dinamic.
Digitizarea
Când o undă analogică e convertită în fişier digital, informaţia analogică trebuie mai întâi transformată în biţi. Acest lucru se realizează prin eşantionare (sampling), un proces realizat de către o piesă hardware a calculatorului, CAN (Convertor analogic-numeric). Rate de eşantionare mai mari, măsurate în Hz, prezintă un fişier digital mai apropiat de sunetul analogic original. Pentru a obţine cele mai mari rate, CAN măsoară frecvent amplitudinea undei semnalului analogic.
De asemenea, pentru ca un semnal digital să poată fi reprodus, el trebuie convertit în semnal analogic de către un CNA (Convertor numeric-analogic). Acurateţea acestor măsurători constituie claritatea eşantionului, fiind măsurată în biţi. Cu cât mai mulţi biţi, cu atât e mai mare acurateţea. Un CD audio standard, spre exemplu, foloseşte rate de 44,1 kHz cu claritate 16-biţi.
Cum funcţionează difuzoarele
E nevoie de difuzoare pentru a reproduce semnalul digital într-o formă în care să îl şi auzim. Difuzoarele au rolul invers microfoanelor, dar se bazează tot pe acelaşi principiu al vibraţiilor.
Cel mai uzual tip de difuzor foloseşte un mecanism format dintr-un con din hârtie ataşat la un electromagnet, prinse într-un cadru fix. Când curentul porneşte de la amplificator spre difuzor, acesta activează electromagnetul, generând un câmp magnetic. Magnetismul atrage ansamblul conic spre un alt magnet fixat în partea inferioară a cadrului. Alternarea semnalului electric împinge şi atrage ansamblul, vibrând astfel aerul din faţa conului la frecvenţe specifice.
Mecanismele mai mici ce operează la frecvenţe înalte, cunoscute ca tweetere, sunt folosite pentru a reproduce înălţimi mai mari ale sunetului; mecanismele medii şi subwooferele folosesc conuri mai mari pentru a genera tonuri mai joase. Deseori se întâlnesc mai multe difuzoare montate în acelaşi cadru, pentru a crea împreună un sunet mai bogat şi mai complet decât ar putea produce fiecare în parte.
Când difuzoarele vibrează, camera se umple din nou de sunet, ca atunci când sunetul a atins microfonul. Loveşte urechea, iar creierul recunoaşte că e un cântec, dar ştiinţa din spatele acestui fenomen e o altă poveste.
Traducere după musics-wild-ride-from-sound-waves-to-digital-files-and-back-again de Prohaszka Bogdan
