Сегодня воспроизведение и запись звука кажутся настолько естественным процессом, что сложно себе представить, что недавно все обстояло иначе. Были времена, когда звук казался чем-то бесполезным и ненужным для ПК, а о естественности звучания никто даже не задумывался. Самые первые компьютеры семейства IBM PC снабжали примитивным динамиком PC Speaker (спикером). В народе это чудо было прозвано «пищалкой», что совершенно справедливо: устройство могло воспроизводить за раз не более одного тона, а регулировка громкости была сильно затруднена. Назначение у динамика было одно — воспроизводить диагностические сигналы при загрузке и работе ПК. Однако создатели игр нашли устройству иное применение: задавая частоту и очередность звучания, они создавали что-то вроде музыки. К концу 80-х каждая уважающая себя игра имела подобный «саундтрек». За прошедшие четверть века спикер никуда не делся, и им по-прежнему комплектуется почти каждый компьютер.
В 1984 году в свет вышел компьютер IBM PCjr, обладавший встроенным трехголосным синтезатором, являвшимся, по сути, модернизированным компьютерным динамиком. Спустя еще пару лет на рынок было выпущено устройство Covox. Подключалось оно через принтерный LPT-кабель и представляло собой 8-битный ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Следующим этапом в развитии компьютерного звука стало появление в 1987 году фактически первой звуковой карты — Creative Music System (CMS). Созданное сингапурской компанией Creative устройство основывалось на двух 6-голосных звукогенераторах Philips SAA 1099 и было в состоянии воспроизводить стереозвук: один звуковой чип обрабатывал сигнал для правого канала, второй — для левого. Высокая цена (более $300) отпугнула покупателей, тем более что почти в то же время появился еще один игрок — канадская компания AdLib. Одноименная карта обладала всего одним чипом Yamaha YM3812, но этот 11-голосный синтезатор FM-типа давал более естественное звучание, чем CMS! Вторым неоспоримым плюсом стала низкая цена — порядка $100. В этой битве Creative потерпела поражение.

Карточка AdLib вывела компьютерный звук на новый уровень, опередив своих конкурентов, включая дорогую Creative Music System.В 1991 году на рынке появилась новая звуковая карта от Creative — Sound Blaster. После этого события название карты долгое время оставалось синонимом понятия «звуковая плата». Оно и понятно: более семи лет у устройств этой серии не было конкурентов. Меж тем ничего принципиально нового в SB не было, просто компания объединила два чипа — Yamaha YM3812 и 8-битный ЦАП типа Covox. В результате синтезатор мог воспроизводить различные MIDI-мелодии с качеством, идентичным AdLib, а ЦАП позволял выдавать предварительно оцифрованный аналоговый звук, например человеческую речь. Все это было дополнено еще одним чипом, позволявшим записывать аудиосигналы. Качество воспроизведения и записи было весьма посредственным: 8-битное моно с частотой дискретизации 22 кГц по звучанию уступало даже магнитофонам.SB начал эволюционировать. Сначала появилась версия карты с поддержкой стерео, потом частота дискретизации воспроизводимого звука увеличилась до 44,1 кГц, а чуть позже в свет вышла

Sound Blaster 16— первая 16-битная звуковая плата от Creative. Недолго думая, компания обвесила свое творение патентами. И поскольку копировать архитектуру SB16 конкурентам уже было нельзя, на рынке стало появляться множество карт, не похожих друг на друга. Это вызвало головную боль у разработчиков игр, так как им пришлось реализовывать поддержку каждой мало-мальски популярной карты. В один прекрасный день девелоперам это надоело и подобная практика прекратилась. 

Sound Blaster 16 — первая доступная 16-битная звуковая карта. Хит своего времени.

Кстати, SB16 стала первой платой, поддерживающей

Microsoft Direct Sound, что только усилило любовь разработчиков к ней. Конкуренты вымирали естественным путем, Creative выиграла борьбу, правда, затем сделала большую промашку, решив, что будущее за воспроизведением синтезированных MIDI-мелодий. Последующие творения бурно развивались в этом направлении, но большинству пользователей от этого не было толку: MIDI-синтезаторы предназначались скорее для полупрофессионального сегмента рынка и в сфере домашних ПК востребованы не были. Ничего принципиально нового Creative не выпускала вплоть до 1998 года.

Эпоха трехмерного звука

Толчок к дальнейшему развитию в сфере компьютерного звука дала компания

Aureal, разработавшая первый серьезный формат воспроизведения 3D-звукаA3D

и соответствующий чипAU8820. Реализацией карт на его основе заняласьDiamond Multimedia, карта получила названиеMonster MX300. Произошло это событие в 1997 году. 

Современные игры вроде Battlefield 2142 и Prey в полной мере используют возможности EAX Advanced HD 5.0.

В основе разработки лежали исследования особенностей человеческого слуха. Технологии разрабатывались для нужд военных летчиков и космонавтов. Целью компании было научить простые наушники правильно позиционировать звук в пространстве — и Aureal с задачей справилась. Чип в реальном времени рассчитывал отражения звука от объектов виртуального мира с учетом геометрии помещения и наличия в нем препятствий. Таким образом, в обработанном аудиосигнале появлялись фазовые запаздывания — эхо с различной задержкой. Мозг, привыкший воспринимать эти запаздывания в повседневной жизни, не чувствовал обмана, что и гарантировало невиданный доселе реализм звучания. Помимо этого, карта аппаратно поддерживала алгоритмы, позволяющие эмулировать механизмы ориентации человека в пространстве: пользователь мог определять, что источник звука располагается «сзади» или «спереди», а не только «слева» или «справа». Официально алгоритмы поддерживали и вертикальное позиционирование звука («сверху» и «снизу»), на практике это было незаметно.

Кроме поддержки A3D, MX300 отличалась качественным звучанием, популярность была гарантирована. В комплекте с платой шла программа для демонстрации возможностей A3D — в ней пчела летала вокруг головы пользователя. И все бы хорошо, но после появления первых игр с поддержкой A3D выяснилась страшная вещь: алгоритмы замечательно работали в случае с движущимися объектами, однако позиционировать статичные объекты технология не умела, кроме того, A3D отличался прожорливостью и сильно нагружал процессор.

SB Live!— ответ Creative — вышла в 1998 году и использовала совершенно новые технологии. Сингапурская компания сделала ставку на

Direct Sound 3D, который занимался довольно примитивным позиционированием звука, и дополнила его своей разработкой, получившей название

EAX(Environmental Audio Extensions). Технология изменяла звук в зависимости от типа помещения, который выбирался из фиксированного набора предустановок. Таким образом, эффект трехмерности создавался в большей степени благодаря имитации окружающей среды игрового персонажа. Если последний падал в воду, то звук вокруг него приобретал характерное подводное звучание, в том случае, если персонаж забирался в трубу, его окружало металлическое эхо. Чип мог работать с восьмью звуковыми потоками одновременно и поддерживал 26 вариантов звучаний различных сред. Благодаря простоте и надежности EAX получил одобрение со стороны разработчиков и вскоре стал неотъемлемой частью компьютерных игр. Дальнейшая судьба Creative связана с непрерывным совершенствованием EAX и выпуском звуковых карт, поддерживающих новые версии. В EAX 2.0 количество звуковых потоков увеличилось до 32, упростился процесс программирования, повысилась функциональность: для точной настройки слушателя могло использоваться до 14 параметров, для источников — до 13. Появились эффекты окклюзии и обструкции, позволявшие имитировать поглощение звука различными преградами. 

Структура карты, основные выполняемые функции, технические характеристики.

Устройство по обработке звука именуют звуковой картой или звуковой платой, иногда звуковым адаптером, а иногда саундбластером.  Хотя следует заметить, что правильнее было бы звуковые карты называть саундбластерами (а ещё точнее Sound Blaster).  Звуковая плата устанавливается на материнской плате компьютера. Компьютеры являются цифровыми; Они предпочитают работать с дискретными величинами (двоичными кодами). Чтобы работать с дискретными величинами, т.е. вводить в компьютер аналоговый звуковой сигнал и выводить из компьютера  аналоговый звуковой сигнал  на звуковые колонки, звуковая карта производит преобразование аналогового сигнала в сигнал двоичного кода (цифровой сигнал) и наоборот. Это основная выполняемая функция звуковой карты.

Звуковой сигнал с микрофона или плеера подается на один из входов звуковой карты. Это аналоговый сигнал. Он поступает на входной микшер, который служит для смешивания сигналов, если их поступает на вход несколько. Затем сигнал с входного микшера поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), с помощью которого происходитоцифровка аналогового сигнала, т.е. преобразование его в дискретный двоичный сигнал.

    Потом цифровые данные поступают в сердце звуковой платы -  процессор (DSP - Digital Signal Processor). Этот процессор управляет обменом данными с компьютером через шину PCI материнской платы.

    Когда центральный процессор компьютера выполняет программу записи звука, то цифровые данные поступают через шину PCI либо прямо на жесткий диск, либо в оперативную память компьютера. Присвоив этим данным имя, мы получим звуковой файл.

    При воспроизведении этого звукового файла данные с жесткого диска через шину PCI поступают в сигнальный процессор звуковой платы, который направляет их на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).  Цифро-аналоговый преобразователь преобразует двоичный сигнал в аналоговый. Электрический сигнал, получившийся в результате преобразования, поступает на выходной микшер. Этот микшер идентичен входному и управляется при помощи той же самой программы. Сигнал с выходного микшера поступает налинейный выход звуковой карты и выход на звуковые колонки, подключив к которому колонки или наушники мы слышим звук.

  На любой универсальной мультимедийной звуковой карте есть встроенный синтезатор - устройство, которое синтезирует звуки заданных частот и тембров. Он используется также для управления работой электромузыкальных инструментов на основе стандарта MIDI (например синтезатор).

    MIDI стандарт(stands) для Цифрового Интерфейса Музыкальных Инструментов (Musical Instrument Digital Interface), -  это стандартный протокол оборудования и программного обеспечения для возможности соединения (обмена информацией) музыкальных инструментов друг с другом. События посылаемые сквозь шину MIDI могут также сохранятся в MIDI-файлах для последующего редактирования и проигрывания.

Чтобы использовать его в качестве музыкального инструмента к MIDI-порту подключают MIDI-клавиатуру, либо автономный синтезатор, который может служить в качестве клавиатуры.

        Таким образом, основные выполняемые функции звуковой карты состоят в следующем:

• преобразовывать звуковые сигналы ( аналоговые сигналы), поступающие с микрофона, магнитофона и других внешних аудиоустройств в цифровую форму, что необходимо для дальнейшей обработки в компьютере;
• преобразовывать цифровые сигналы, сформированные в компьютере, в аналоговые сигналы, пригодные для воспроизведения в акустических системах;
• подвергать сигналы обработке: выделять или подавлять в сигнале те или иные частоты, создавать эффекты гулкого помещения, многократного эха (реверберация), размножения источников звука (хорус) и другие;
• синтезировать музыкальные звуки, характерные для традиционных музыкальных инструментов, и звуки инструментов, которым в природе аналогов нет;
• синтезировать человеческий голос и, вообще, произвольно заданные звуки: поезда, выстрела, дождя и т.д.;
• обеспечивать двухканальный (стерео) режим, регулировку уровня громкости по каждому из каналов в отдельности;
• обеспечивать микширование (смешивание) сигналов от нескольких источников;
• обеспечивать возможность подключения других звуковых карт, музыкальных синтезаторов, микшеров и т.п. посредством специального стандартного соединения (интерфейса MIDI).

       Основные технические характеристики звуковой карты

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость амплитуды колебания на выходе звуковой карты (выход на звуковые колонки) от частоты входного аналогового сигнала при  постоянной по амплитуде входного сигнала. Амплитудно-частотная характеристика показывает, как передаются  отдельные частотные составляющие аналогового сигнала через звуковую плату, и позволяет оценить искажения его спектра.

Идеальная звуковая плата  должна одинаково передавать все частоты от 20 до 20000 Гц. При искажении АЧХ меняется соотношение уровней сигналов разных частот, соответственно, тембр инструментов или звуков становится другим. Отдельные инструменты и звуки будут звучать громче, чем другие, какие-то фрагменты фонограммы станут незаметными.

Отношение сигнал/шум  - представляет собой отношение значений (в децибелах) неискаженного максимального сигнала на выходе звуковой  платы к уровню шумов электроники, возникающих в собственных электрических схемах платы. Так как человек воспринимает шум на разных частотах по-разному, был разработан стандарт, который учитывает раздражающий уровень шума. Чем это соотношение выше, тем звуковая система качественнее. Снижение этого параметра до 75 дБ недопустимо.

Суммарные нелинейные искажения - отражает влияние искажений, вносимых отдельными каналами усиления звука и шумов, генерируемых самой платой. Он измеряется в процентах от уровня неискаженного выходного сигнала. Устройство с уровнем нелинейных искажений более 0. 1% не может считаться качественным. Нелинейные искажения более проявляются в виде искажения качества воспроизводимого звука (хрипы).

Динамический диапазон. Выраженная в децибелах разность между max и min сигналом, которую плата может пропустить.  В идеальной цифровой аудиосистеме динамический диапазон должен быть близок к 98 дБ