informatyka + 1

Techniki nagrywania, kształtowaniai odtwarzania dźwięku

Andrzej Majkowski

2informatyka +

Program wykładu

1. Elementy komputerowej obróbki sygnału dźwiękowego, komputerowe karty dźwiękowe,

2. Charakterystyka sygnału dźwiękowego – podstawy fizyczne, tony, widmo, dynamika, percepcja,

3. Studio nagrań – mikrofony i techniki mikrofonowe, stoły mikserskie, procesory dźwięku, rejestratory dźwięku, akustyka sali nagraniowej i odsłuchowej,

4. Formaty zapisu sygnału dźwiękowego.

informatyka + 3

informatyka + 4

Karty dźwiękowe

• W 1987 r. powstaje pierwsza karta dźwiękowa firmy AdLib, wyposażona w złącze ISA .

• Sercem karty był procesor Yamaha YM3812.

• Karta mogła odtwarzać 9 kanałów jednocześnie albo 11 (polifonia) w tym 5 kanałów przeznaczonych na instrumenty perkusyjne.

• Dźwięk był generowany na zasadzie syntezy FM (FrequencyModulation), jako wynik mieszania pary fal o określonych kształtach.

informatyka + 5

Karty dźwiękowe

• W 1988 r. firma Creative Music Systems (dzisiaj Creative Labs) zaproponowała klientom pierwszą w swoim dorobku kartę ISA, tj. Game Blaster.

• Była to nowsza wersja dotychczas produkowanego syntezatora C/MS.

• Karta odtwarzała 12 kanałów z regulowanym poziomem głośności oraz 3 kanały perkusyjne.

• Dźwięk stereo.

• Przeznaczona była dla użytkowników gier.

informatyka + 6

Karty dźwiękowe

• Pierwszą kartę z serii Sound Blaster wyprodukowano w 1989 r. Karta zawierała syntezator FM, odtwarzała dźwięk mono z rozdzielczością8 bitów.

• Karty Sound Blaster 16 i moduł Wave Blaster wprowadzono na rynek w 1992 r. Karta mogła odtwarzać i zapisywać dźwięk (stereo) z częstotliwością 44,1kHz w 16 bitowej rozdzielczości. Istniała możliwość podłączenia modułu Wave Blaster, który posiadał 4MB próbek dźwięków.

• W 1994 r. wprowadzono nowy model karty Sound Blaster AVE32, z którym zintegrowano moduł Wave Blaster.

• W 1998 r. opracowano kartę Sound Blaster Live!, która umożliwiała uzyskanie dźwięku 4-kanałowego i dysponowała technologią EAX (symulacja dźwięku w różnych środowiskach).

informatyka + 7

Budowa kart dźwiękowych

1. Generator dźwięku - występował w starszych kartach i był to zazwyczaj generator FM oraz generator szumu, służył do sprzętowego generowania dźwięków za pomocą modulacji i łączenia fal oraz szumu.

2. Pamięć ROM lub półprzewodnikowa typu „flash” – umożliwia przechowywanie danych (np. próbek wykorzystywanych do syntezowania dźwięku).

3. Przetworniki a/c i c/c - umożliwiające rejestrację i odtwarzanie dźwięku.

4. Mikser dźwięku - służy do łączenia sygnałów dźwięku z różnych źródeł, generatorów dźwięku, przetworników c/a, wejść zewnętrznych, itp.

Budowa kart dźwiękowych

informatyka + 8

informatyka + 9

Budowa kart dźwiękowych cd.

5. Wzmacniacz wyjściowy - służy do podłączenia słuchawek lub dopasowania linii wyjściowych przetwornika c/a.

6. Interfejs do komputera - służący do komunikacji i wymiany danych z kartą dźwiękową, zazwyczaj ISA, PCI lub USB.

7. Procesor DSP - służy do cyfrowej obróbki dźwięku, np. nakładania efektów.

8. Interfejs MIDI - służy do podłączania do komputera cyfrowych instrumentów muzycznych.

informatyka + 10

Karty dźwiękowe

Sound Blaster® Audigy™ 2 ZS Platinum Pro

• Karta PCI z zewnętrznym interfejsem• Dolby Digital 7.1, - próbkowanie: 24bit/96kHz• wejście i wyjście S/PDIF: 2x RCA i 2x Toslink• wyjścia liniowe: 3x stereo, - wejścia liniowe: 3x stereo• wejście mikrofonowe• wejście i wyjście MIDI• wyjście słuchawkowe,• złącza FireWire

Zapis sekwencji MIDI

• MIDI jest muzycznym interfejsem cyfrowym, wykorzystywanym do tworzenia sieci komunikacyjnej MIDI, pomiędzy różnymi cyfrowymi urządzeniami fonicznymi.

• W skład systemu mogą wchodzić: elektroniczne instrumenty muzyczne, procesory efektów, komputery, rejestratory i inne urządzenia stosowane w studiach nagrań muzycznych.

• MIDI definiuje standardy sprzętowe oraz język komend.

• Przekazywana jest standardowa informacja składająca się z takich składowych, jak: wysokość dźwięku, natężenie dźwięku, modulacja itp. jednocześnie dla 16 kanałów.

informatyka + 11

Dźwięk – fala akustycznaFala dźwiękowa rozchodzi się jako podłużna fala akustyczna w danym ośrodku sprężystym: gazie, płynie. W ciałach stałych, takich jak metale, występuje również fala poprzeczna.

Dźwięk, jako drgania cząsteczek, charakteryzuje się tym, że cząsteczka pobudzona przekazuje energię cząstce sąsiedniej, a sama drga wokół własnej osi. Skutkiem tego są lokalne zmiany ciśnienia ośrodka rozchodzące się falowo.

informatyka + 12

Analiza dźwięku

informatyka + 13

Ton jest elementarnym rodzajem dźwięku, dla którego fala dźwiękowa ma postać sinusoidy.

Wrażenie wysokości dźwięku nie jest liniowo zależne od częstotliwości tonu. Występują różnice między lewym i prawym uchem.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1

-0.5

0

0.5

1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1

-0.5

0

0.5

1

Analiza dźwięku

informatyka + 14

Bardzo często w celu analizy sygnału dźwiękowego korzysta się z jego częstotliwościowej reprezentacji. Mówimy wtedy o tzw. widmie sygnału dźwiękowego.

Dźwięk

informatyka + 15

• W powietrzu w temperaturze otoczenia 20oC prędkość dźwięku wynosi ok. 345 m/s.

• Zakres częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz jest zakresem częstotliwości słyszalnych (fonicznych, audio).

• Fala o częstotliwości 20 Hz ma długość 17,25 m. Fala o częstotliwości 20 kHz ma długość 1,72 cm.

• Dźwięki o częstotliwości mniejszej od 20 Hz są nazywane infradźwiękami, zaś o częstotliwości większej od 20 kHz – ultradźwiękami.

Zakres słyszalności

informatyka + 16

Zakres słyszalności

• Wrażenia głośności zależą od czasu trwania dźwięku.

• Efekt czasowego sumowania głośności dla krótkich czasów trwania.

– Powyżej 200ms nie występuje.

• Dla czasów od ok. 1s do ok. 3 min dla dźwięków o niskim poziomie lub wysokiej częstotliwości głośność maleje ze wzrostem czasu trwania – adaptacja głośności.

• Efekt sumowania głośności : powiększenie szerokości pasma częstotliwościowego szumu białego powoduje wzrost głośności. Głośność szumu ( i dźwięków złożonych ) jest wyższa niż tonów (sinusoidalnych) o takim samy ciśnieniu akustycznym.

informatyka + 17

Ocena jakości dźwięku

• Ucho – instrument bardzo trudny do zamodelowania, czyli opisania przez wzory matematyczne.

• Odbiór wrażeń muzycznych - proces indywidualny.

• Ocena jakości – bardzo subiektywna.

informatyka + 18

Rejestracja sygnałów dźwiękowych

Podział mikrofonów

• Ze względu na oddziaływanie pola akustycznego na membranę– ciśnieniowe– gradientowe– ciśnieniowo gradientowe

• Ze względu na rodzaj przetwornika– dynamiczne– pojemnościowe

informatyka + 19

Przykłady mikrofonów

Mikrofony dynamiczne

informatyka + 20

Przykłady mikrofonów

Mikrofony pojemnościowe Mikrofony elektretowe

informatyka + 21

Mikrofony ciśnieniowe

informatyka + 22

Zasada działania(pomiar ciśnienia akustycznego)

Charakterystyka kierunkowości

Mikrofony gradientowe

informatyka + 23

Zasada działania mikrofonu Charakterystyka kierunkowa

p1 i p2 – wartości ciśnienia akustycznego

d – droga ugięcia fali

φg – skuteczność mikrofonugradientowego

φgo – skuteczność mikrofonugradientowego mierzonana osi mikrofonu

Charakterystyka kierunkowa

informatyka +24

Mikrofony dynamiczne

informatyka + 25

Cewkowe Wstęgowe

1- membrana2 - cewka3 - magnes

1 – wstęga2 – magnes3 – transformator

Mikrofony pojemnościowe

informatyka + 26

z polaryzacją wewnętrzną(elektretowe)

z polaryzacją zewnętrzną

Parametry mikrofonów

informatyka + 27

Charakterystyka częstotliwościowa określa poziom sygnału na wyjściu mikrofonu w funkcji częstotliwości.

CzułośćNapięcie generowane przez mikrofon przy danym ciśnieniu akustycznym.

ImpedancjaEfektywna rezystancja wyjściowa przy częstotliwości 1kHz.

Charakterystykaczęstotliwościowamikrofonuwstęgowego

Techniki mikrofonowe

informatyka + 28

polega na ustawieniu na jednym statywie dwóch mikrofonówo charakterystyce kardioidalnej lub ósemkowej

pod kątem ±45º do osi frontalnej

ÓsemkowejKardioidalnejObszar, z którego

zbierają dźwięk mikrofony

w technice XY, przyużyciu mikrofonówo charakterystyce

Superkardioidalnej

Technika XY

Techniki mikrofonowe

informatyka + 29

Technika MS

w tej technice używa się dwóch mikrofonów:jednego o charakterystyce kardioidalnej, drugiego o ósemkowej

lub dwóch mikrofonów o charakterystyce ósemkowej

Technika MS

29

dwóch mikrofonów o charakterystyceósemkowej

dwóch mikrofonów o charakterystykachósemkowej i kardioidalnej

Obszar, z któregozbierają

dźwięk mikrofonyw technice MS, przy

użyciu

Techniki mikrofonowe

informatyka + 30

w tej technice ustawia się dwa mikrofony w odległości od 17 cmdo 1,5 m między nimi; mikrofony powinny mieć taką samą

charakterystykę i być tego samego typu

Technika AB

Ustawienie mikrofonów w technice AB

System cyfrowego przetwarzania sygnału fonicznego

informatyka + 31

Typowy układ studia nagraniowego

informatyka + 32

reżysernia

studio

okno dźwiękoszczelne

mikrofony

rejestratory

stojak z procesorami

efektów

monitory głośnikowemateriał

pochłaniający

stół mikserski

Studia nagrań dźwiękowych

• studia ogólnego przeznaczenia: składają się zwykle z dwóch części: wytłumionej, tzw. „dead-end”, gdzie średni czas pogłosu wynosi ok. 0,1 s oraz tzw. „live-end”, gdzie czas pogłosu jest większy

• studia do nagrań mowy: małe rozmiary (rzędu 20-30 m2). Średni czas pogłosu w tego typu pomieszczeniach waha się w granicach 0,35-0,45 s,

• studia do nagrań muzyki rozrywkowej: charakteryzują się małym czasem pogłosu (do 0,4 s),

• studia do nagrań muzyki orkiestrowej: powinny mieć duże rozmiary i charakteryzować się dużym czasem pogłosu (1-3 s). Akustyczne właściwości takiego pomieszczenia powinny naśladować właściwości akustyczne sal koncertowych,

• studia telewizyjne i filmowe: studia takie powinny charakteryzować się małym czasem pogłosu ze względu na znaczne (kilka metrów) oddalenie od źródeł dźwięku oraz potrzebę redukcji wpływu niepożądanych dźwięków (np. wentylacja, dźwięk związany z ruchem kamer itp.),

informatyka + 33

Studio nagrań dźwiękowych

informatyka + 34

Stoły mikserskie

informatyka + 35

cyfrowe analogowe

Yamaha PM5D Midas Heritage

Stoły mikserskie

informatyka + 36

Stoły mikserskie

informatyka + 37

Tor foniczny w stołach mikserskich

informatyka + 38

Sekcja dodatkowaSekcja wejściowa Equalizer (EQ)

Sekcja wskaźnikówwysterowania

Sekcja monitorówgłośnikowych

Główny tłumikwyjściowy

Procesory dźwięku

informatyka + 39

• urządzenia do sterowania poziomem sygnału

• urządzenia do korekcji barwy dźwięku (EQ)⁻ graficzne⁻ parametryczne

• procesory dynamiki⁻ kompresor⁻ limiter⁻ ekspander⁻ bramka szumowa⁻ układ automatycznej

regulacji wzmocnienia

• procesory efektowe służą do zmiany właściwości czasowych i przestrzennych sygnału, a także zmiany wysokości dźwięku:

⁻ pogłos (reverb) i opóźnienie (delay)

⁻ zmiana wysokości dźwięku (pitch-shift)

⁻ efekty przestrzenne

• wzmacniacze zewnętrzneoprócz przedwzmacniaczy w stole mikserskim, stosuje się również:⁻ przedwzmacniacze do

mikrofonów⁻ wzmacniacze mocy

Źródła sygnałów fonicznych

• Źródła analogowe- Taśma magnetofonowa - Magnetofon - Płyta winylowa - Gramofon

• Źródła cyfrowe - Taśma magnetofonowa- Magnetofon cyfrowy - Płyta CD, DVD- Odtwarzacz płyt CD, DVD- Twardy dysk- Odtwarzacze plików mp3

informatyka + 40

Fonograf

informatyka + 41

Fonograf tojedno z pierwszych urządzeń służących do zapisu i odtwarzania dźwięku, poprzednik gramofonu.

Taśma magnetofonowa, zapis analogowy

informatyka + 42

Dwie warstwy: • podłoże niemagnetyczne z materiałów plastycznych (poliestry)• cienka warstwa magnetyczna (tlenki żelaza, dwutlenek chromu)

Znormalizowane szerokości: • magnetofon szpulowy - ¼ cala (ok. 6,3 mm)• magnetofon kasetowy - 3,81 mm

Różny czas zapisu• Związany z różną grubością taśm • Grubość od 9 do 55 μm – zależy od długości

Taśma zapewnia dynamikę około 60 dB

Magnetofon szpulowy

Lata 60. XX wieku 1973 r.

informatyka + 43

Płyta winylowa, zapis analogowy

informatyka + 44

Wykonane są z tworzyw sztucznych (celuloid).

Rozmiary średnic płyt oraz rowków są znormalizowane

• stosuje się średnice: 300, 250 i 175 mm, • rowki mają średnice: 51 μm (tzw. mikrorowek dla płyt mono)

40 μm (rowki w płytach stereo).

Informacje na płycie są zapisywane spiralnie (od zewnątrz w kierunku środka płyty).

Maksymalna dynamika : około 80 dB.

GramofonBambino - gramofon z 1967 r. czyli sprzęt pozwalający odtworzyć

pocztówki dźwiękowe

informatyka + 45

Stereofoniczny adapter elektromagnetyczny

• Drgająca igła wprawia w ruch magnesy, które poruszają się wewnątrz nieruchomych cewek (MM).

• Zmiany pola elektromagnetycznego powodują indukowanie napięcia w cewkach, proporcjonalnego do zapisanego sygnału fonicznego

informatyka + 46

1 – cewka 2 – magnes

P – kanał prawyL – kanał lewy

Taśma magnetofonowa, zapis cyfrowy

TAŚMY PROSZKOWE• Warstwę czynną stanowią cząstki ferromagnetyczne rozproszone w

niemagnetycznym lepiszczu.• Materiałem są tlenki żelazowe i tlenki chromowe.• Wzdłużna gęstość zapisu wynosi 2 bity/μm.

TAŚMY METALICZNE• Warstwa magnetyczna zawiera prawie wyłącznie materiał

magnetyczny (stop kobaltu i niklu).• Wykazuje on dużo lepsze właściwości magnetyczne niż materiały

stosowane w taśmach proszkowych. • Wzdłużna gęstość zapisu 4 bity/μm.• Taśmy DAT zapewniają dynamikę ok. 96 dB.

informatyka + 47

Magnetofon cyfrowy

informatyka + 48

Idea zapisu magnetycznego sygnałów cyfrowych jest taka sama jak sygnałów analogowych.

ELEMENTY DODATKOWE:• przetwornik c/a (a w przypadku rejestratorów również a/c),• koder/dekoder sygnału cyfrowego.

ODTWARZANIE:• eliminacja błędów sygnału zapisanego na taśmie,• dekodowanie,• rozdzielenie sygnału na poszczególne kanały,• przetworzenie na postać analogową.

INNE GŁOWICE NIŻ W MAGNETOFONACH ANALOGOWYCH:• sygnał cyfrowy jest zawarty w innym paśmie częstotliwości niż sygnał analogowy,• częstotliwości dużo większe - mniejsze głowice o lepszych parametrach.

GŁOWICE MOGĄ BYĆ: • nieruchome (magnetofony S-DAT, stosowane w studiach),• wirujące (magnetofony R-DAT studyjne, reporterskie i do użytku domowego).

Magnetofon cyfrowy

Magnetofon ADAT

informatyka + 49

Płyta CD, zapis cyfrowy

Średnica 12 cm Grubość 1,2 mmWewnątrz otwór o średnicy 1,5 cm

Informacja na płycie CD zapisywana jest od wewnątrz w kierunkubrzegu płyty

TRZY WARSTWY:• cienka (0,1 mm) plastikowa (PCW lub poliwęglany) warstwa

informacyjna z wytłoczonymi zagłębieniami (pitami), • napylona na nią warstwa aluminiowa - odbijanie światła • gruba (1,1 mm) plastikowa warstwa ochronna

Teoretyczna dynamika sygnału zapisanego na płycie CD - około 96 dB

informatyka + 50

Odtwarzacze plików mp3

• Pamięć stała, zapisywana, kasowana i odczytywana metodami elektrycznymi.

• Informacje nie są tracone po odłączeniu zasilania.

ZALETY KART PAMIĘCI „FLASH”:• małe rozmiary,• zredukowany pobór energii, niewrażliwość na oddziaływanie pól

magnetycznych,• bezszmerowe działanie, • pojemności do 32 GB.

Odtwarzacze plików mp3 zapewniają dynamikę ok. 90 dB.

informatyka + 51

Zalety techniki cyfrowej

• Większa dynamika przenoszonych sygnałów (ok. 90 dB).• Mała wrażliwość sygnału cyfrowego na wpływ takich czynników, jak szum,

zakłócenia, temperatura i starzenie się elementów.• Scalone układy cyfrowe są małe, niezawodne, stosunkowo tanie i mogą

realizować złożoną obróbkę sygnałów.• Sygnały cyfrowe mogą być zapisywane i przechowywane na różnych

nośnikach.• Sygnały cyfrowe mogą być wielokrotnie kopiowane, przesyłane,

przechowywane, korygowane lub odczytywane bez pogorszenia ich jakości.• Niektóre operacje realizowane z użyciem techniki cyfrowej są trudne lub

niemożliwe do wykonania za pomocą techniki analogowej.• Funkcje lub charakterystyki układów cyfrowych można łatwo zmieniać

sposób programowy.• Operacje na sygnałach cyfrowych mogą być wykonywane w czasie

rzeczywistym.

informatyka + 52

Wady techniki cyfrowej

• Duża wrażliwość na straty lub zaniki danych.• Potrzebne jest znacznie szersze pasmo kanału do przesyłania sygnału

cyfrowego niż jego odpowiednika analogowego.• Pasmo systemu cyfrowego jest ograniczone do połowy częstotliwości

próbkowania.• Systemy cyfrowego przetwarzania sygnałów fonicznych w czasie

rzeczywistym wymagają użycia szybkich układów realizujących operacje obliczeniowe, takich jak procesory sygnałowe (DSP), programowalne układy logiczne (FPGA, CPLD) oraz szybkich pamięci.

• Jeśli mają być przetwarzane sygnały analogowe, to muszą być stosowane przetworniki a/c i c/a (dodatkowy koszt, błędy przetwarzania).

• Układy cyfrowe zawsze wymagają zasilania, czyli są układami pobierającymi określoną moc.

informatyka + 53

informatyka + 54