Текст книги "Открытия и изобретения ХХ века. Энциклопедия"

Глава 88

Бытовые роботы

Как это ни странно звучит, но роботы в нашем доме это давно не фантастика. Они окружают нас, помогают в повседневной жизни и берут на себя выполнение целого ряда рутинных задач. Не верите? Напрасно. Роботы – это не бесцельно слоняющиеся по комнатам электронная собака AIBO (кстати, снова детище Sony) или игрушки-андроиды, похожие на механических космонавтов. Это автоматические стиральные машины и самоходные пылесосы, СВЧ печи и холодильники, посудомоечные машины и кондиционеры – любая бытовая техника, оснащённая электронным программным управлением.

И всё же самыми технически совершенными и многофункциональными устройствами из всего перечисленного можно считать, прежде всего, стиральные автоматические машины и пылесосы. Дело в том, что холодильник умеет совершать лишь несколько операций – автоматически поддерживать заданную температуру внутри холодильной и морозильной камер, да, пожалуй, в определённое время отключаться для самоочистки. СВЧ печь, как и некоторые сложные электроплиты, может выдержать определённую температуру в течение определённого времени – и только. А вот стиральные автоматы… Посмотрим, что умеет делать современная стиральная машина, появившаяся, кстати, не так давно – в семидесятые годы прошлого века.

Сначала немного об устройстве стиральной машины. Её основные узлы – металлический бак и активатор (диск с выступами). В бак заливается горячий раствор моющего вещества и закладывается бельё. Затем машина включается, активатор начинает вращаться и приводит в движение бельё. Во время этого движения раствор моющего вещества вступает во взаимодействие с загрязняющими ткань частицами, вымывая их и растворяя. Дополнительное воздействие создают различные вещи, помещённые в тот же бак. А ускоряют процесс стирки активные моющие вещества, вступающие в химическое взаимодействие с загрязняющими веществами.

Более распространённой разновидностью стиральной машины активаторного типа является машина с вращающимся барабаном. Активаторные выступы расположены прямо на внутренней поверхности полого барабана, установленного на горизонтальной оси (сам барабан при этом называется вертикальным). Стирка получается более эффективной, так как в движение приводится всё бельё, а в баке нет «мёртвых» зон, где бельё застаивается, а моющий раствор не перемешивается.

Альтернативой барабанной машине служит стиральная машина пузырькового типа. У нас в стране они не распространены, но очень популярны в Америке. Это машины с большим горизонтальным вращающимся барабаном, на дне которого имеются специальные выступы, захватывающие воздух и создающие ток воздушных пузырьков в моющем растворе внутри барабана. Схлопываясь, пузырьки вступают в механическое взаимодействие с тканью и увлекают за собой загрязняющие бельё частицы. Но, повторим, в России пузырьковые системы почти не встречаются (возможно, из-за громоздкости самих машин).

К какому бы типу стиральная машина ни относилась, но работает она по принципу механического и химического воздействия моющего раствора на ткань. Всё очень просто, хотя сами машины при этом могут иметь достаточно сложное устройство.

Стиральные машины с активатором барабанного типа бывают двух видов – с фронтальной загрузкой белья через специальный люк с прозрачным окном, эти машины распространены больше, и с вертикальной загрузкой через откидной люк в самом барабане, эти стиральные автоматы распространены меньше, но при этом имеют своих приверженцев и пользуются устойчивым спросом.

Программный автомат стиральной машины оперирует всего тремя действиями – нагревом воды, скоростью и направлением вращения барабана. Сочетание этих трёх действий и осуществляется автоматическая стирка различных типов тканей. Встроенный нагреватель воды штука крайне удобная. Даже если в ванной есть отвод горячей воды, подключать её к стиральной машине не нужно – достаточно подачи воды холодной. Перед началом стирки мы выбираем нужную программу, загружаем в бак бельё, засыпаем в лотки загрузки стиральный порошок и ополаскиватель и включаем машину. В бак поступает вода, которая проходит через электрический нагреватель и доводится до нужной температуры. Если стирать приходится тонкие ткани, чувствительные к избыточному нагреву, вода будет подогрета точно до той температуры, которая не повредит эти ткани.

Затем начинается процесс стирки. Он происходит во время вращения барабана в одну и другую сторону. Скорость вращения может быть больше или меньше – опять же в зависимости от выбранного автоматического режима стирки. Как только стирка закончена, начинается этап полоскания. В бак заливается чистая вода, бак снова приводится во вращение. Потом вода сливается и цикл полоскания повторяется до тех пор, пока ополаскивание не будет завершено.

В процессе отжима белья бак раскручивается и вращается с большой скоростью. Излишки влаги удаляются за счёт центробежной силы, стекают во внутренний поддон, а затем выкачиваются насосом, который работает и в других режимах – во время слива воды после стирки и ополаскивания. Степень отжима определяется скоростью вращения барабана. Чем скорость выше, тем отжим эффективней. Правда, не стоит думать, что машина со скоростью вращения барабана 800 оборотов в минуту отжимает хуже, чем машина со скоростью вращения барабана 1200 оборотов в минуту. Просто сам процесс займёт больше времени.

Помимо стирки и отжима белья автоматические стиральные машины, правда, далеко не все, умеют его ещё и высушивать. Работает стирально-сушильная машина следующим образом. Горячий воздух продувает выстиранное и отжатое бельё в том же закрытом барабане. Насыщенный влагой воздух попадает в своеобразный холодильник, в котором влага конденсируется, стекает в специальную ёмкость и удаляется. А осушенный воздух снова нагревается и нагнетается вентилятором в сушильный барабан. Цикл сушки повторяется. Кстати, в качестве хладагента в конденсационной рубашке машины используется обычная холодная вода – из водопровода.

Что же в конечном счёте отличает совершенную стиральную машину от простой? Большое количество автоматических режимов стирки. Хорошая машина способна нагревать воду до минимальной температуры в 45—50 градусов, вращать барабан с небольшой скоростью и отжимать бельё очень бережно на небольших оборотах барабана (зато долго). Этот режим нужен для стирки таких тканей, как шёлк. Далее – хорошая машина запросто справится со стиркой сильно загрязнённых тканей, нагревая воду до 90 градусов и отжимая бельё на максимальной скорости. Полностью автоматизированная машина справляется не только со стиркой, но и с сушкой, но при этом сушильный автомат должен работать по только что описанному замкнутому циклу – чтобы влажный воздух не попадал в жилое помещение. Наконец, хорошая машина не шумит или почти не шумит. Она работает так, что мы её не слышим…

Роботы-пылесосы тоже появились достаточно давно. Первая модель автоматического самоходного пылесоса была выпущена корейской компанией LG ещё в 1992 году. Но по-настоящему эффективным домашним помощником роботы-пылесосы стали только в нынешнем тысячелетии. Сегодня в магазинах бытовой техники продаётся и недорогая модель пылесоса Romba производства американской компании iRobot, и элитный роботизированный пылесос от шведского Electrolux (кстати, эта компания является изобретателем пылесоса всем нам знакомого «европейского типа»).

Суть работы автоматического пылесоса сводится к тому, что он целыми днями, когда нас нет дома, или ночью (как мы его запрограммируем сами), разъезжает по квартире и пылесосит, пылесосит, пылесосит. Самая простая модель Romba кроме этого ничего не умеет. Самостоятельно объезжает препятствия, программируется на время включения-выключения – вот и всё (хотя и этого уже достаточно).

Более совершенные модели от той же компании iRobot наделены некоторым интеллектом. Они улавливают сигналы датчиков, установленных в разных концах комнаты, что улучшает их способности по части самостоятельного ориентирования. Появляется возможность запрета доступа роботу в отдельные части комнаты (например, рядом с шаткой этажеркой или цветочными вазами). Ещё более интеллектуальная модель умеет самостоятельно отыскивать базу, подключаться к электрической сети и подзаряжать аккумуляторы.

Получается, что робот-пылесос, как и стиральный автомат, весьма эффективный домашний помощник, хотя действия его мы почти не замечаем. Не мешается под ногами, дело своё делает – и ладно. Его время и наше время не совпадают. Кстати, люди, которые обзавелись роботом-пылесосом, говорят о нём, как о живом существе и только в превосходной степени…

В конце концов, смысл современных технологий заключается именно в том, чтобы изменить к лучшему качество нашей жизни.

Глава 89

Самый высокий мост и самый длинный туннель

Помните поговорку – умный в гору не пойдёт, умный гору обойдёт? Её можно несколько изменить, добавив – а умный и трудолюбивый пробьёт в горе туннель… Поговорим о величайших инженерных сооружениях прошлого столетия, о самых протяжённых и высоких мостах, и о самых больших туннелях.

Строительство мостов началось ещё в глубокой древности. Ещё в Древнем Риме строились открытые водопроводы – акведуки, которые представляли собой длинные мосты, по поверхности которых был с небольшим уклоном устроен желоб для тока воды. Правда, очень больших мостов ни тогда, ни позже не строили. Длинный мост сооружение затратное, стоит дорого и требует серьёзных расчётов прочности. К тому же доступные материалы – дерево и камень – не позволяли добиться нужной прочности. Как оказалось в период расцвета инженерного дела, мост должен быть не только прочным, но и упругим. Только в этом случае он способен противостоять ветровым нагрузкам и землетрясениям, компенсируя деформации и снова возвращаясь в исходное положение.

Первый крупнейший мост мира, который мы внесём в список великих мостов, был построен в самом конце XIX века. Это мост в Хартленде, Нью-Брансуик, Канада, построенный в 1899 году. Полная длина моста равна 390 метрам 80 сантиметрам.

Столетие спустя, в 1997 году, здесь же в Канаде был построен мост между островом Принца Эдуарда и Нью-Брансуиком на материковой части страны. Это сооружение получило название «мост Конфедерации» и вместе с подъездными путями имеет длину в 11 километров.

В том же 1997 году в Японии был построен самый длинный безопорный пролёт самого высокого автомобильного моста в мире «Акаши-Кайко». Длина пролёта 1991 метр. Высота самого моста 297 метров. Этот мост был построен в 1998 году. Он соединяет острова Хонсю и Авадзи, входя в единую транспортную систему островов Хонсю и Сикоку.

Любопытно, что рекорд на самый длинный пролёт комбинированного, да ещё и подвесного автомобильно-железнодорожного моста принадлежит Китаю. Всё в том же 1997 году (в апреле) было завершено строительство моста «Цин-Ма» – в Гонконге. Это крупнейший подвесной мост мира, имеющий единственный пролёт. Длина его (вот, совпадение!) 297 метров.

Самый длинный в мире пролёт стального арочного моста у сооружения над ущельем в Западной Вирджинии, по дну которого протекает река Нью-Ривер. Этот крупнейший на планете стальной мост находится около города Фейетвилл. Длина пролёта составляет 518 метров.

Самый длинный в мире каменный арочный мост – это «Роквиллский мост» в штате Пенсильвания, США. Мост стоит возле города Гаррисберга. Его длина составляет 1161 метр, общее число пролётов – 48. Любопытно, что строительство этого грандиозного сооружение было завершено в 1901 году, а на строительство было затрачено 196 тысяч тонн камня.

Самый длинный пролёт арочного каменного моста имеет длину в 120 метров. Это мост «Ючаохе» в Хеньяне, что находится в китайской провинции Хунань.

Самый длинный в мире опорно-подвесной мост – французский «Пон-де-Норманди» в Гавре. Этот мост имеет длину в 856 метров и был построен в 1995 году.

Самый длинный пролёт железобетонного сооружения с балочным пролетным строением у моста «Рафтсундет». Главный пролет этого моста, связавшего основные острова Лофотенского архипелага в Норвегии, имеет длину 298 метров. Мост «Рафтсундет» был построен в 1997 году, а в эксплуатацию был введён год спустя.

Самый длинный в мире стальной мост с пролетами, выполненными в виде балок коробчатого сечения, это мост «Понте-Коста-э-Сильва» в бразильском городе Рио-де-Жанейро. Его длина 300 метров. Мост был построен в 1974 году.

Самый широкий в мире мост построен в Австралии – в гавани Сиднея. Его ширина 48 метров 80 сантиметров. По мосту проложены две электрифицированных железнодорожных ветки, 8-рядная автомобильная трасса, велосипедная дорожка и тротуар.

Самый высокий железнодорожный мост находится в Югославии. Это путепровод «Мала река» в Колашине, на линии Белград – Бар, вступивший в строй в 1976 году. Высота это моста составляет 198 метров.

Самым длинным велосипедно-пешеходным мостом мира считается мост «Олд-Чейн оф Рокс-Бридж» в Мэдисоне, штат Иллинойс, США. Это сооружение имеет длину в 1631 метр.

Самый длинный разводной мост планеты – «мост Эразма» в городе Роттердам, Нидерланды. Этот мост был построен в сентябре 1996 года. В нем соединились два рекордных достижения – самый, пожалуй, необычный одноопорный висячий мост и самый длинный в мире 82-метровый разводной мост.

Ещё о необычном. Самый длинный пластиковый мост с армированными пролетами находится в гольф-клубе «Эберфелди» в Великобритании. Длина главного пролета этого моста равна 63 метра, а общая длина составляет 113 метров.

Мостом с самым оживлённым движением является знаменитый мост через залив Окленд-Бей в Сан-Франциско. В 1996 году по этому мосту прошло 100 миллионов автомобилей или 274 000 машин ежедневно. Практически, сплошной автомобильный поток и почти круглые сутки.

А самый длинный в мире автомобильно-железнодорожный мост находится в Японии. Это двухъярусный мост «Сето-Охаши», связавший города Коджима, что на острове Хонсю, и Сакайде на острове Сикоку. Протяженность моста 12 километров 300 метров. Он был построен в 1988 году.

Абсолютный же рекорд длины принадлежит мосту-дамбе «Понтчартрейн», который соединяет города Мандевилл и Метайри в штате Луизиана, США. Протяжённость этого сооружения 38 километров 422 метра. Мост был построен в 1969 году…

Перейдём к самым внушительным туннелям планеты.

Самыми длинными в мире подводными железнодорожными туннелями являются туннель под проливом Ла-Манш между Францией и Англией и туннель «Сейкан» между японскими островами Хонсю и Хоккайдо.

По общей протяжённости туннель под Ла-Маншем уступает японскому туннелю. Длина англо-французского сооружения 49 километров 490 метров. В систему входят два туннеля, соединяющих французский город Кале и английский Фолкстоун, графство Кент. Но подводная часть туннеля длинней, чем у японского сооружения, на 14 километров 700 метров. Туннель под Ла-Маншем был введён в эксплуатацию в 1994 году.

Подводный туннель «Сейкан» соединяет города Таппи Саки, расположенный на острове Хонсю, и Фукусима, что на острове Хоккайдо. Длина туннеля составляет 53 километра 850 метров. Он проложен на глубине 240 метров ниже уровня моря и на 100 метров ниже дна пролива Цугару. Строительство туннеля было закончено в 1983 году, но ещё пять лет понадобилось на достройку и оборудование.

Длиннейшим автомобильным туннелем мира считается двухполосный автомобильный туннель «Сен-Готтард», соединяющий швейцарские города Гэшенен и Аироло. Его длина – 16 километров 320 метров. Этот туннель в швейцарских Альпах был построен в 1980 году. На строительство было потрачено целых 11 лет.

Самым просторным автомобильным туннелем мира можно считать туннель на острове Йерба-Буэна в Сан-Франциско, штат Калифорния, США. Его ширина 24 метра, высота 17 метров, а длина 165 метров. Ежедневно по каждому из двух ярусов тоннеля проезжают около 250 тысяч автомобилей.

Ну, а абсолютный рекорд протяжённости остаётся за гидротехническим туннелем Нью-Йорк – Западный Делавэр. Этот туннель используется в системе водоснабжения штата Нью-Йорк. Он берёт начало у водохранилища Рондаут и заканчивается у водохранилища Хилвью. Длина туннеля 169 километров. Внутренний диаметр 4 метра 10 сантиметров. Строительство было начато в 1937 году, а завершено в 1944 году.

Глава 90

Цифровые методы компрессии звука – кодек МР3 и его конкуренты

Зачем нужно сжимать оцифрованный звук? Чтобы рациональней использовать дисковое пространство. В исходном формате на звуковом компакт-диске емкостью в 650 мегабайт умещается 74 минуты звучания. Если переписать эту информацию на винчестер компьютера (при этом композиции будут выглядеть, как файлы с названиями Track 1, Track 2 и так далее и иметь расширение WAV, то есть цифровой звук будет записан в виде универсального метафайла, предназначенного для хранения мультимедийной информации), расход дискового пространства будет максимальным – 74 минуты звука займут именно 650 мегабайт. Теперь представьте, сколько времени потребуется для того, чтобы передать один 30-мегабайтный файл (средний размер музыкальной композиции в формате audio CD) по сети Интернет. При медленном соединении посредством телефонной линии это более часа. Кроме того, 650 мегабайт цифровой информации – норма для компакт-дисков, но очень много для жестких компьютерных дисков начала девяностых годов, когда компьютеры оснащались 40-120-мегабайтными винчестерами.

В 1991 году небольшая немецкая компания, известная под названием Институт Фраунхофера (Fraunhofer IIS), опубликовала спецификации кодека (codec – coder/decoder, кодирование – декодирование) MPEG Layer 3. Позже название было сокращено до MP3. Этот кодек был развитием только что утвержденных стандартов MPEG 1 и MPEG 2, предназначенных для записи, компрессии и сохранения мультимедийной информации – звука и видео (в этот свод характеристик входит экранное разрешение, частотный диапазон и разрядность звука, ряд других важных характеристик). Первый стандарт использовался для компьютерных звуковых и видеоадаптеров, второй, более жесткий, расширенный, для устройств DVD, появившихся значительно позже. К слову, существуют еще два мультимедийных стандарта – MPEG 3 и MPEG 4. MPEG 3 описывает требования к аппаратуре цифрового телевидения высокой четкости, а второй, официально не утвержденный, используется для компрессии видео и звука с качеством, приближающимся к качеству DVD (но только приближающимся).

Поначалу кодек MP3 задумывался в качестве коммерческого, платного продукта. Он был призван составить конкуренцию сетевому кодеку RA – Real Audio, первому сетевому формату сжатия звуковой информации, который не обеспечивал необходимого качества звука, хотя и многократно уменьшал размеры файлов. Формат RA жив до сих пор, активно совершенствуется и применяется для передачи мультимедийной информации через Глобальную сеть. В частности, в формате RA часто ведутся онлайновые радиопередачи информационных радиостанций. Качество звука (на уровне хороших средневолновых и даже ультракоротковолновых радиоприемников) здесь на втором месте, а на первом – «облегчение» транспортировки звукового потока через каналы связи. В результате радиотрансляцию можно слушать через относительно медленные каналы связи – вплоть до соединения через телефонную линию.

Разработку немецкой компании оценила мощная французская фирма Thomson Multimedia, поддержавшая создателей кодека и включившаяся в работу сама. Благодаря этому кодек был открыт для всеобщего пользования и вскоре получил повсеместное распространение. Не лишенный недостатков, MP3 тем не менее успешно выдерживает конкуренцию с разработками ведущих софтверных компаний мира. Он противостоит разработке Microsoft – формату WMA, способному обеспечить более эффективное сжатие при том же качестве звучания, семейству форматов AAC (advanced audio codec), над которым работает Apple Computer, форматам PAC (perceptual audio codec), VQF и других. Более того, когда десять лет спустя, в 2001 году, Институт Фраунхофера и компания Thomson Multimedia выпустили усовершенствованный кодек MP3 Pro, обеспечивающий вдвое большую эффективность сжатия и обладающий обратной совместимостью (то есть устройства и программы для воспроизведения файлов MP3 Pro способны работать и с файлами старого формата MP3), он не получил большого распространения. Пользователи привыкли к MP3 и, по сути, отказались переходить на новые кодеки.

Сегодня MP3 является доминирующим кодеком компрессии звуковой информации. А поскольку множество электронных компаний выпускают десятки моделей портативных проигрывателей файлов этого формата, лишь обеспечивая совместимость с другими кодеками, нет видимых причин для изменения сложившейся ситуации. Таким образом еще раз подтвердился постулат Билла Гейтса (изложенный им в книге «Дорога в будущее») – MP3 стал массовым стандартом, поэтому для победы конкурирующих форматов одного технического превосходства недостаточно…

Что такой MP3? Как он устроен? Как работает? За счет чего происходит уменьшение объема звуковых файлов и, в результате этого, экономия пространства компакт-дисков?

В кодеке MP3 реализованы несколько любопытных механизмов компрессии. Прежде всего, это фреймовая структура звукового файла. Поскольку MP3 предназначен для сжатия информационного потока, сам сжимаемый файл разбивается программой компрессии на равные по продолжительности звучания участки, которые называются фреймами. Это позволяет скачивать файлы оцифрованного звука постепенно без фатальных сбоев. Как только несколько небольших фреймов оказывается на винчестере компьютера, можно прослушать их на программном проигрывателе. Если связь прерывается, закачанная часть файла все равно остается работоспособной – можно прослушать те фреймы, которые удалось скачать, а недостающие докачать во время следующего соединения с Интернетом. То есть каждый фрейм звукового файла независим от других фреймов, что позволяет легко осуществлять произвольную перемотку воспроизведения – проигрыватель просто переходит от одного фрейма к другому.

В кодеках сжатия звука есть один важный параметр, определяющий ширину информационного потока и, в конечном счете, эффективность компрессии и качество звучания. Этот параметр называется битрейтом (bitrate) и выражается в килобитах в секунду (kbs). У стандартного несжатого audio CD ширина потока составляет 1280 kbs. Именно с такой скоростью с музыкального компакт-диска считывается оцифрованный звук.

При битрейте до 320 kbs для компрессии MP3 используются только математические алгоритмы сжатия информации, как в любом программном архиваторе (ZIP, RAR и так далее). В заархивированном файле последовательность битов информации замещается таблицей с их описанием и указанием их расположения. При этом звуковая информация ни коим образом не затрагивается, и качество звукозаписи не ухудшается. Иными словами при компрессии обычной цифровой звукозаписи кодеком MP3 с битрейтом 320 kbs потерь в качестве звука не будет, а размер каждого файла уменьшится в четыре раза. Соответственно, на компакт-диске MP3 уместится четыре диска несжатого звука. Хорошая новость для любителей высококачественного звучания!

Битрейт в 320 kbs является границей, далее которой начинают работать сложные алгоритмы компрессии, основанные на «психоакустической модели» восприятия звука человеческим слухом. Битрейт более 320 kbs не имеет смысла, поскольку снижает коэффициент сжатия, но ни коим образом не увеличивает качества звука. С другой стороны, не имеет смысла и дополнительное сжатие файлов MP3 любыми программными архиваторами. Файлы MP3 несжимаемы, поскольку они уже сжаты.

При уменьшении ширины информационного потока программа компрессии анализирует записанный звук и удаляет из файла лишние с точки зрения кодека участки. Этот процесс называется квантованием звука. Чем меньше битрейт, тем квантование жестче – тем большая часть звуковой информации будет «вычищена» программой компрессии.

Для удобства использования стандартный ряд применяемых битрейтов выглядит следующим образом – 320, 256, 128, 64, 32 и менее kbs. Значения больше 320 kbs не применяются, битрейт менее 32 kbs применяются крайне редко (16 и 8 kbs – в диктофонах MP3 для записи голосовой информации). Но значение битрейта может быть и иным. Часто, к примеру, используется битрейт 190 kbs, обеспечивающий лучшее звучание, чем битрейт 128 kbs, но файл при этом получается меньше по размеру, чем при компрессии с битрейтом 256 kbs. Более того, для уменьшения размеров файла и одновременно для улучшения качества записанного звука применяется механизм переменного битрейта.

Что из сжатого по алгоритму MP3 файла устраняется, какая часть звука? Во-первых, высокочастотная составляющая. Считается, что человеческое ухо не способно распознать звук частотой более 16 килогерц. Поэтому при компрессии эта часть звука удаляется. На самом деле подобный подход не может считаться абсолютно верным. Человеческий слух достаточно сложный инструмент. Его чувствительность меняется с возрастом, подвержена весьма существенным девиациям, не выходящим за рамки нормы. Поэтому высокие частоты способны услышать достаточно много людей. Другое дело, что от портативных проигрывателей и персональных компьютеров, оснащенных простейшими вкладными наушниками и акустическими системами, мы особого качества звучания и не ждем. И упрощения MP3 прощаем, если они, эти упрощения, не выходят за рамки допустимого.

Отсюда можно сделать вывод, что для портативных устройств музыку можно сжимать с небольшими битрейтами, добиваясь меньшего размера файлов. А для высококачественной музыки лучше обойтись вовсе без вмешательства алгоритма MP3, обходясь компрессией с битрейтом в 320 kbs.

Второй «жертвой» кодека MP3 становятся звуки небольшой громкости, которые мы не слышим, особенно на фоне общего звучания инструментов оркестра и голоса исполнителя.

Третий важнейший инструмент, использованный в кодеке MP3 – так называемый «эффект маскирования». Он заключается в том, что мы не слышим тихие звуки, следующие непосредственно за громкими. Мы как бы глохнем на несколько мгновений и не способны различать тихий звук после громкого.

Программа компрессии анализирует содержание каждого фрейма звукового файла, оценивает высокочастотную составляющую и общую громкость звука. Затем громкость звука оценивается внутри фрейма и сравнивается с соседними фреймами. На основе этой информации программа стирает «лишние» биты, содержащие звуки высокой частоты, тихие звуки и нижнюю часть звуковой последовательности, содержащую перепад громкости, превышающую определенный предел. Чем меньше битрейт, тем основательней «чистка». Но тут следует заметить, что уничтожение каждого бита приводит к увеличению шума квантования на 6 db. То есть сжатая с малым битрейтом музыка будет звучать глухо и плоско.

Обобщающее название технологии называется «адаптивным копированием». Однако, приемлемая степень подобной адаптации выбирается каждым слушателем (точнее, пользователем компьютера, на котором будет обрабатываться звук) индивидуально. А критериями выбора становится достижение максимального качества звучания при максимально возможном уменьшении размеров файла…

При разработке кодека MP3 программисты обратились к помощи экспертов-музыкантов. Эксперты должны были оценить влияние всего спектра возможных битрейтов на качество звучания сжатых файлов. Так вот, большинство из «музыкальных дегустаторов» отметили идентичность звучания несжатых файлов и файлов с битрейтом в 320 kbs. При этом степень сжатия составляет 4:1. Битрейт 256 kbs почти не сказывается на передаче звуковых нюансов, но только если речь не идет о классической музыке. Степень сжатия 6:1. Битрейт 128 kbs, самый популярный сегодня (во всяком случае, в Интернете), соответствует звучанию аналогового магнитофона, но, заметьте, вовсе не проигрывателя компакт-дисков, как принято считать. Степень компрессии 12:1 – очень хороший показатель. Битрейт 64 kbs способен обеспечить качество звука на уровне радиотрансляции, что недостаточно даже для самых простых портативных проигрывателей. Но степень сжатия возрастает до 24:1… В большинстве случаев оптимальным считается битрейт 128 kbs (12 дисков на одном компакте!). Кстати, именно с этим битрейтом и работали создатели формата MP3.

Несколько слов о переменном битрейте. При выборе в программе сжатия звука переменного битрейта (с заданием верхней и нижней границ), компрессия будет идти с использованием всех заложенных в кодек инструментов. Во фреймах с громким насыщенным звуком степень компрессии будет минимальной, а битрейт максимальным. Во фреймах с тихим звучанием и с большими перепадами громкости неслышимые звуки будут удалены, а битрейт снизится до минимально возможного. Динамическое изменение битрейта позволяет сохранить высокое качество звука при минимальном размере файла, но следует заметить – не все плееры правильно работают с переменным битрейтом. Точнее, воспроизведение обычно идет без проблем, но сервисные функции (о них чуть ниже) могут и не работать.

До сих пор мы говорили о компрессии общего звукового потока, но как обстоит дело с компрессией стереозвука? В несжатом виде стереозвук – это два независимых канала записи-воспроизведения, которые в идеале не должны смешиваться. В кодеке MP3 есть похожий механизм, называемый Dual Channel – двойной канал. При этом каждый канал представляет собой независимый монофонический звуковой поток, который сжимается отдельно. Этот алгоритм используется при сжатии звука с большими битрейтами – 320 и 256 kbs. При битрейтах 192, 160, 128 kbs используется режим Stereo (он установлен в программах сжатия по умолчанию). В этом режиме информация одного канала может записываться в другой канал, когда в одном из них возникает пауза. Это позволяет отказаться от записи тишины в ходе компрессии звука. При компрессии стереозвука со средними значениями битрейта от 190 до 112 kbs может использоваться режим Joint Stereo (первый вариант). При этом звуковой поток разделяется на основной со средними звуковыми характеристиками между двумя стереоканалами и разностный. Разностный канал записывается только тогда, когда фазы звуковых колебаний не совпадают, а сжимается он с более низким битрейтом, чем основной канал. Этот алгоритм хорошо подходит для компрессии звука, записанного с качеством кассетного магнитофона. Наконец, для записи стереозвука при низких битрейтах используется режим Joint Stereo (второй вариант). Здесь так же записываются два канала, но разностный канал содержит информацию только о соотношении громкости в разных каналах и записывается с минимальным битрейтом. Этот режим является основным при компрессии стереозвука с битрейтами от 96 kbs и менее.