Techniki nagrywania, kształtowania i odtwarzania dźwięku

Transkrypt

1 informatyka + 1

2 Techniki nagrywania, kształtowania i odtwarzania dźwięku Andrzej Majkowski informatyka + 2

3 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

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 (Frequency Modulation), jako wynik mieszania pary fal o określonych kształtach. informatyka + 4

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 + 5

6 Karty dźwiękowe Pierwszą kartę z serii Sound Blaster wyprodukowano w 1989 r. Karta zawierała syntezator FM, odtwarzała dźwięk mono z rozdzielczością 8 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 + 6

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. informatyka + 7

8 Budowa kart dźwiękowych informatyka + 8

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 + 9

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 informatyka + 10

11 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

12 Dźwięk fala akustyczna Fala 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

13 Analiza dźwięku 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 informatyka + 13

14 Analiza dźwięku Bardzo często w celu analizy sygnału dźwiękowego korzysta się z jego częstotliwościowej reprezentacji. Mówimy wtedy o tzw. widmie sygnału dźwiękowego. informatyka + 14

15 Dźwięk W powietrzu w temperaturze otoczenia 20 o C 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. informatyka + 15

16 Zakres słyszalności informatyka + 16

17 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

18 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

19 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

20 Przykłady mikrofonów Mikrofony dynamiczne informatyka + 20

21 Przykłady mikrofonów Mikrofony pojemnościowe Mikrofony elektretowe informatyka + 21

22 Mikrofony ciśnieniowe Zasada działania (pomiar ciśnienia akustycznego) Charakterystyka kierunkowości informatyka + 22

23 Mikrofony gradientowe Zasada działania mikrofonu Charakterystyka kierunkowa p1 i p2 wartości ciśnienia akustycznego d φ g droga ugięcia fali skuteczność mikrofonu gradientowego φ go skuteczność mikrofonu gradientowego mierzona na osi mikrofonu informatyka + 23

24 Charakterystyka kierunkowa informatyka + 24

25 Mikrofony dynamiczne Cewkowe Wstęgowe 1- membrana 2 - cewka 3 - magnes 1 wstęga 2 magnes 3 transformator informatyka + 25

26 Mikrofony pojemnościowe z polaryzacją zewnętrzną z polaryzacją wewnętrzną (elektretowe) informatyka + 26

27 Parametry mikrofonów Charakterystyka częstotliwościowa określa poziom sygnału na wyjściu mikrofonu w funkcji częstotliwości. Charakterystyka częstotliwościowa mikrofonu wstęgowego Czułość Napięcie generowane przez mikrofon przy danym ciśnieniu akustycznym. Impedancja Efektywna rezystancja wyjściowa przy częstotliwości 1kHz. informatyka + 27

28 Techniki mikrofonowe Technika XY polega na ustawieniu na jednym statywie dwóch mikrofonów o charakterystyce kardioidalnej lub ósemkowej pod kątem ±45º do osi frontalnej Obszar, z którego zbierają dźwięk mikrofony w technice XY, przy użyciu mikrofonów o charakterystyce Ósemkowej Kardioidalnej Superkardioidalnej informatyka + 28

29 Technika MS Techniki mikrofonowe Technika MS w tej technice używa się dwóch mikrofonów: jednego o charakterystyce kardioidalnej, drugiego o ósemkowej lub dwóch mikrofonów o charakterystyce ósemkowej Obszar, z którego zbierają dźwięk mikrofony w technice MS, przy użyciu dwóch mikrofonów dwóch mikrofonów o charakterystyce o charakterystykach ósemkowej ósemkowej i kardioidalnej informatyka

30 Techniki mikrofonowe Technika AB w tej technice ustawia się dwa mikrofony w odległości od 17 cm do 1,5 m między nimi; mikrofony powinny mieć taką samą charakterystykę i być tego samego typu Ustawienie mikrofonów w technice AB informatyka + 30

31 System cyfrowego przetwarzania sygnału fonicznego informatyka + 31

32 Typowy układ studia nagraniowego studio mikrofony okno dźwiękoszczelne materiał pochłaniający stół mikserski reżysernia monitory głośnikowe stojak z procesorami efektów rejestratory informatyka + 32

33 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 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

34 Studio nagrań dźwiękowych informatyka + 34

35 cyfrowe Stoły mikserskie analogowe Yamaha PM5D Midas Heritage informatyka + 35

36 Stoły mikserskie informatyka + 36

37 Stoły mikserskie informatyka + 37

38 Tor foniczny w stołach mikserskich Sekcja wejściowa Sekcja dodatkowa Equalizer (EQ) Sekcja wskaźników wysterowania Główny tłumik wyjściowy Sekcja monitorów głośnikowych informatyka + 38

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 dźwięku 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 zewnętrzne oprócz przedwzmacniaczy w stole mikserskim, stosuje się również: przedwzmacniacze do mikrofonów wzmacniacze mocy informatyka + 39

40 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

41 Fonograf Fonograf to jedno z pierwszych urządzeń służących do zapisu i odtwarzania dźwięku, poprzednik gramofonu. informatyka + 41

42 Taśma magnetofonowa, zapis analogowy 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 informatyka + 42

43 Magnetofon szpulowy Lata 60. XX wieku 1973 r. informatyka + 43

44 Płyta winylowa, zapis analogowy 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. informatyka + 44

45 Gramofon Bambino - gramofon z 1967 r. czyli sprzęt pozwalający odtworzyć pocztówki dźwiękowe informatyka + 45

46 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 1 cewka 2 magnes P kanał prawy L kanał lewy informatyka + 46

47 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

48 Magnetofon cyfrowy 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). informatyka + 48

49 Magnetofon cyfrowy Magnetofon ADAT informatyka + 49

50 Płyta CD, zapis cyfrowy Średnica 12 cm Grubość 1,2 mm Wewnątrz otwór o średnicy 1,5 cm Informacja na płycie CD zapisywana jest od wewnątrz w kierunku brzegu 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

51 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

52 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

53 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

54 informatyka + 54