Problemy z głośnością, czyli od VU-meru do LUFS Jeszcze niedawno doświadczaliśmy nieprzyjemnie dużych różnic głośności podczas oglądania elewizji. Wprawdzie nadal poziom głośności fonii poszczególnych sacji i programów bywa różny, czego doświadczają zwłaszcza oglądający elewizję saeliarną i kablową. Jednak w sacjach krajowych nie jeseśmy już zaskakiwani ym, co przez laa było powszechne że głośność reklam była dużo większa niż głośność normalnego programu elewizyjnego. Spece od reklamy i zleceniodawcy reklam wychodzili z założenia, że czym głośniejszy dźwięk, ym lepiej reść reklamy dorze do odbiorców. Skukowało o iryacją i próbą jak najszybszego przełączenia na inny kanał. Być może efek był odwrony od zamierzonego, a może jednak akie działanie było głęboko przemyślane. Kilka la emu głośność reklam w elewizji i w radiu wróciła do normy i o wcale nie z dobrej woli nadawców i reklamodawców. Zosało o wymuszone przez wprowadzenie odpowiednich przepisów. W naszym kraju od około dziesięciu la próbowano coś zrobić z problemem nadmiernej głośności reklam, żeby wspomnieć inerwencje rzecznika praw obywaelskich w Krajowej Radzie Radiofonii i Telewizji (KRRiT). Jednak dopiero w połowie czerwca roku 2010 w naszym kraju zaczęło obowiązywać rozporządzenie KRRiT, regulujące problem głośności reklam i przewidujące ogromne kary za ich nadmierną głośność. W roku 2011 uściślono zasady nadawania reklam i audycji reklamopodobnych. Sopniowo polskie Rys. 1 sacje elewizyjne i radiowe dososowały się do wymogów rozporządzenia. Dziś głośność reklam nie iryuje. Wcześniej problem dawał o sobie znać przez co najmniej kilka la i doyczył nie ylko polskich sacji elewizyjnych, ale całego świaa. Także Czyelnicy EdW niewąpliwie doświadczali ego nieprzyjemnego zjawiska, ale zapewne bardziej ineresują ich echniczne aspeky ego zagadnienia. A aspeky e okazują się bardzo ineresujące. Zwłaszcza jeśli prześledzi się je w ujęciu echnicznym oraz hisorycznym. Kluczową sprawą okazują się przy ym właściwości użyych mierników wyserowania. A o zagadnienie ylko na pozór może wydawać się prose. Specyfika sygnałów audio Cały problem wynika z właściwości sygnałów audio. Przykład na rysunku 1 pokazuje fragmen wykresu czasowego pewnego przebiegu muzycznego. Jak widać, chodzi o przebiegi zmienne o skomplikowanych kszałach. A o oznacza, że są mieszaniną sinusoidalnych składowych o różnych częsoliwościach. Mowa ludzka obejmuje częsoliwości z zakresu około 100Hz do 10kHz, muzyka, zwłaszcza elekroniczna, 20Hz...20kHz, naomias młody, zdrowy człowiek słyszy dźwięki o częsoliwościach od około 20Hz do 16...19kHz, a w sarszym wieku górna granica obniża się do 10...13kHz. Sygnały audio są więc mieszanką sygnałów o najróżniejszych częsoliwościach i ampliudach, gdzie poszczególne składniki pojawiają się i znikają. To wszysko poważnie urudnia pomiar. Pojawia się eż pyanie, co ak naprawdę należałoby mierzyć? Bo można na przykład mierzyć warość szczyową, czyli maksymalne warości, jakie przybiera przebieg co jakiś część 1 czas. Można eż mierzyć warość skueczną. Można byłoby mierzyć warość średnią, czy o oryginalnego przebiegu, czy raczej średniej warości bezwzględnej, po jego wyprosowaniu. Nie ma problemu z pomiarem różnych czysych i ciągłych sygnałów. Dla akich przebiegów mamy ściśle określone zależności między warością szczyową (ampliudą), warością skueczną i warością średnią. Dla podsawowego, czyli sinusoidalnego przebiegu przedsawia je rysunek 2. Sosunek warości szczyowej (ampliudy) do warości skuecznej nazywany jes współczynnikiem szczyu (ang. cres facor, w skrócie CF). Z kolei sosunek warości skuecznej do warości średniej (półokresowej, czyli przebiegu wyprosowanego) o współczynnik kszału (ang. form facor, w skrócie FF). I ak dla najpopularniejszych ciągłych przebiegów, wynoszą one sinusoidalny: CF=1,414, FF=1,111 rójkąny: CF=1,732, FF=1,155 prosokąny: CF=1,000, FF=1,000 piłokszałny: CF=1,732, FF=1,155 W przypadku akich czysych, jednorodnych sygnałów można zmierzyć dowolną z rzech warości (szczyową, Rys. 2 U A U =U RMS =0,707*UA U =U AVG =0,637*UA 0 0,707*U A 0,637*U A UA UA czas 62 Elekronika dla Wszyskich
U Rys. 3 rzy przebiegi o jednakowej ampliudzie skueczną lub średnią) i wyliczyć pozosałe. Naomias w przypadku szybkozmiennych, skomplikowanych sygnałów audio, współczynnik szczyu i współczynnik kszału będą mieć różne warości, zależnie od ego, czy o będzie mowa, czy rozmaie rodzaje muzyki. Pomiar warości szczyowej akich różnorodnych sygnałów nie będzie mówił prakycznie nic o warości skuecznej czy średniej. Problem ilusruje w uproszczeniu rysunek 3 niewąpliwie przebiegi o jednakowej ampliudzie mają odmienne właściwości energeyczne. Podobnie pomiar warości średniej niewiele powie o warości szczyowej i skuecznej. Tu rzeba wspomnieć, że najławiej jes zmierzyć warość szczyową oraz średnią. Dawniej wykorzysywano do ego mierniki wskazówkowe prądu sałego (magneoelekryczne). W układzie z rysunku 4a, na rezysorze R1 o niewielkiej warości wysępuje ęniący przebieg jednokierunkowy wyprosowany pełnookresowo (pomijamy spadek napięcia na diodach), a dodakowy obwód R2C1 z rezysorem R2 o dużej warości uśrednia go. Na wyjściu orzymujemy napięcie sałe, odpowiadające warości średniej (wyprosowanego) przebiegu zmiennego. W układzie z rysunku 4b, na rezysorze R1 eż w zasadzie powinien wysępować przebieg wyprosowany dwupołówkowo, jednak z uwagi na bardzo małą warość rezysancji szeregowej R2, w szczyach przebiegu kondensaor C1 szybko się ładuje, naomias w chwilach, gdy przebieg ma mniejszą warość, kondensaor pomału rozładowuje się przez rezysor R1 o dużej warości. Układ niejako zapamięuje maksymalne warości orzymujemy miernik warości szczyowej. Ale wedy zignorowane zosaną bardzo krókie impulsy, krósze niż warość sałej czasowej R2C1. Zwróć uwagę, że układy różnią się ylko sosunkiem warości R1, czas a) b) Rys. 4 przewornik (RMS) Rys. 6 prosownik prosownik R2 R1 R1<<R2 C1 R2 R1 R1>>R2 C1 R2. R2 określa szybkość i czas ładowania aaku (aack ime), a R1+R2 określają szybkość i czas rozładowania zaniku wskazań (decay ime). W prakyce sosowano i nadal się sosuje ego rodzaju prose mierniki z jedną ylko diodą. O ym, czy będą o mierniki warości średniej, czy szczyowej, decyduje sosunek warości R1/R2 rysunek 5a. Miernik warości szczyowej częso realizuje się bez rezysora R2, według rysunku 5b wedy sała czasowa R1C1 określa niejako czas opadania (pamięania). Prakyka świadczy jednak, że ani wskazania jednego, ani drugiego ypu akiego miernika nie mają ścisłego związku z głośnością. Nieco lepszy związek wskazań z głośnością mają mierniki, gdzie rezysory R1 i R2 mają bardziej zbliżone do siebie warości. Jednak żadna kombinacja rezysorów R1, R2 i kondensaora nie da wskaźnika, kóry zadowalająco odzwierciedlałby głośność. Tu zapewne część Czyelników przyomnie zauważy, że głośność związana jes z mocą, a więc z warością skueczną sygnału, a nie średnią czy szczyową. I w akiej opinii jes wiele prawdy. Rzeczywiście, głośność jes ściśle związana z właściwościami energeycznymi, czyli z mocą sygnału, bo przecież z definicji o właśnie warość skueczna ma ścisły związek z mocą. Wydawałoby się, że problem pomiaru głośności załawi miernik warości skuecznej R E K L A M A szczyowa a) b) D C1 D R1 R1 R2 C1 Rys. 5 według rysunku 6. Miernik warości skuecznej wykonuje na sygnale dość złożoną operację maemayczną obejmującą wyciąganie pierwiaska kwadraowego (ang. roo), a wcześniej całkowanie, czyli uśrednianie (ang. mean) oraz podnoszenie do kwadrau (ang. square). Sąd mamy popularny skró: RMS, oznaczający warość skueczną, a akże mierniki warości skuecznej. Nie ylko RMS... Okazuje się jednak, że goły miernik warości skuecznej sygnału (RMS) eż nie pokazuje głośności, ponieważ problem pomiaru głośności jes zdecydowanie bardziej skomplikowany. Głośność o subiekywne wrażenie ludzkiego zmysłu słuchu. Owszem, moc sygnału ma am duże znaczenie, ale w grę wchodzi eż szereg innych ważnych czynników, w ym specyficzne właściwości ludzkiego zmysłu słuchu. Rys. 7 Elekronika dla Wszyskich 63
I ak koniecznie rzeba wspomnieć o zw. krzywych jednakowej głośności. Zjawisko o było inensywnie badane przez różnych uczonych. Rysunek 7 pokazuje akie krzywe według akualnej normy ISO oraz według wcześniejszych badań Munsona-Flechera. Inni badacze orzymali jeszcze inne wyniki, czemu wcale nie należy się dziwić, bowiem każdy człowiek ma słuch o nieco innych właściwościach, a akie uniwersalne krzywe przedsawiają średnią subiekywnych wrażeń pewnej grupy osób, esowanych w określonych warunkach. W każdym razie niekwesionowaną specyfiką ludzkiego słuchu jes o, że przy cichszych dźwiękach zdecydowanie słabiej reaguje on na dźwięki najniższe i najwyższe. Wypływa z ego wniosek, że zależnie od głośności, rzeba uwzględniać różne charakerysyki częsoliwościowe naszego słuchu. Ponado słuch, podobnie jak i inne zmysły, ma charakerysykę logarymiczną ( prawo Webera-Fechnera). Można przyjąć, że wrażenie głośności jes proporcjonalne do logarymu mocy. Miara logarymiczna o dobrze nam znana miara decybelowa, lecz wrażenie głośności nie odpowiada wpros decybelom poziomu czy naężenia dźwięku. Miernik głośności Rys. 8 R E K L A M A Rys. 9 powinien więc być wyskalowany w jakichś jednoskach głośności, a nie w decybelach. W lieraurze można znaleźć informacje, że podwojenie głośności wymaga zwiększenia mocy o 6dB, czyli 4-kronie. Ale wiele innych źródeł podaje, że dwukrone zwiększenie głośności osiąga się przy zwieszeniu mocy o 1, czyli 10-kronie. To godny dokładniejszej analizy kolejny szeroki ema, gdzie w grę wchodzi kilka czynników. W podręcznikach można ławo znaleźć opisy i definicje akich jednosek jak fon i son. Fon o jednoska (subiekywnego) poziomu głośności, uwzględniająca krzywe z rysunku 7. Jeden fon odpowiada poziomowi głośności dźwięku o częsoliwości 1kHz i poziomie ciśnienia akusycznego 1dB. Dla częsoliwości 1kHz fony odpowiadają więc decybelom poziomu ciśnienia dźwięku (SPL). Dla innych częsoliwości rzeba uwzględniać czułość ucha. Naomias jednoska głośności son opiera się na powierdzonym empirycznie założeniu, że wrażenie dwukronego zwiększenia głośności osiąga się przy zwiększeniu poziomu głośności o 10 fonów. 1 son odpowiada 40 fonom przy 1kHz. W lieraurze można znaleźć skale i wykresy jak na rysunku 8. Ale zarówno fony, jak i sony nie rozwiązują problemu pomiarów głośności, bowiem już ze swej definicji doyczą pojedynczych częsoliwości pojedynczych, ciągłych onów. Tymczasem rzeczywise sygnały audio, zarówno muzyki, jak i mowy, zupełnie nie przypominają pojedynczych, ciągłych onów, ylko są skomplikowaną mieszanką dynamicznie pojawiających się i zanikających składników o różnych częsoliwościach. Ilusruje o rysunek 9 wykres zawierający informacje o częsoliwości, ampliudzie w czasie wypowiadania jednego ylko krókiego słowa. Głośność zależy eż od ilości i długości przerw. Okazuje się, że przerwy, czyli okresy ciszy, mają duży wpływ na subiekywnie odczuwaną głośność i jes o zależność inna, niż wskazywałby miernik warości skuecznej RMS. W elekronicznym mierniku głośności należałoby dodakowo uwzględnić właśnie okresy ciszy (małej głośności). Kolejną specyficzną cechą ludzkiego słuchu jes zw. maskowanie. W sumie chodzi o o, że silny sygnał o jakiejś częsoliwości niejako przykrywa i maskuje słabsze sygnały o zbliżonych częsoliwościach. Nie słyszymy ych sąsiednich składników i nie wpływają one na odczuwaną głośność, a wynika o z zasady działania ludzkiego zmysły słuchu. Ściślej biorąc, jeżeli więc w sygnale audio zaware są składniki o zbliżonych częsoliwościach, należałoby je mierzyć inaczej niż składniki o częsoliwościach znacznie się różniących. Ale o jes subelny szczegół, kóry w prakyce można pominąć. W każdym razie subiekywnie odczuwana głośność zależy w skomplikowany sposób zarówno od mocy sygnału akusycznego i ciśnienia dźwięku, jak eż od częsoliwości oraz przerywisości sygnału i jego zawarości spekralnej (srukury widmowej). Jeżeli więc chcemy skonsruować elekroniczny miernik głośności, sajemy przed bardzo rudnym zadaniem, bowiem miernik aki musiałby odwzorować wiele specyficznych cech naszego zmysłu słuchu. Dawniej realizacja ak skomplikowanego zadania była po prosu niemożliwa. Wykorzysywano prossze rozwiązania. Dopiero niedawno ema wrócił z dużą siłą właśnie z powodu problemów z głośnością reklam. Zanim omówimy szczegóły, w nasępnym odcinku zajmiemy się dawnymi sposobami pomiaru siły sygnałów audio. Pior Górecki 64 Elekronika dla Wszyskich
Problemy z głośnością, część 2 czyli od VU meru do LUFS W pierwszym odcinku omówiliśmy problemy związane z pomiarem głośności sygnałów audio. W ym odcinku omówimy sposoby pomiaru siły sygnałów audio w czasach, gdy nie było jeszcze problemów z głośnością reklam. U Rys. 10 100% modulacja AM Zamierzchła epoka analogowa W zamierzchłej epoce analogowej, czyli przed kilkudziesięciu lay, gdy oprócz elefonu wykorzysywano ylko radio, problem nadmiernej głośności reklam nie isniał. Inżynierowie dźwięku roszczyli się raczej o o, żeby możliwości oru audio były opymalnie wykorzysane. Ogólnie biorąc, chodzi przy ym o dwa aspeky: 1 - nieprzekraczanie maksymalnej dopuszczalnej ampliudy sygnału 2 - urzymywanie w miarę jednakowej głośności Pierwsza kwesia w oczywisy sposób od począku wysępowała w radiofonii. Od począków radia wykorzysywano modulację ampliudy (AM), gdzie ampliuda fali nośnej wysokiej częsoliwości była modulowana przez sygnał audio. W modulaorze AM osaeczną dopuszczalną granicą było osiągnięcie modulacji 100-procenowej, co ilusruje rysunek 10. Większe sygnały powodują bowiem przemodulowanie, co oznacza nieprzyjemne dla ucha zniekszałcenia. Technik realizaor dźwięku musiał więc dbać, żeby nawe w szczyach, przy najgłośniejszych sygnałach, nie przeserować modulaora. Z drugiej srony musiał dbać, żeby sygnały audio nie były za małe, ponieważ wedy cichsze fragmeny zginęłyby w nieodłącznym szumie. Problem doyczy każdego oru audio, gdzie na dole zawsze isnieją większe czy mniejsze szumy własne, kóre się ujawnią przy zby małym sygnale użyecznym, bowiem mały będzie sosunek sygnał szum. Naomias od góry przy zby dużych sygnałach grozi przeserowanie i przykre zniekszałcenia. Problem przeserowania był i jes mniej osry we wzmacniaczach lampowych, ponieważ są one zasilane dużymi napięciami i przekroczenie opymalnego poziomu sygnału nie powoduje gwałownego obcięcia wierzchołków, a jedynie ich częściowe zniekszałcenie przykład na rysunku 11. Przy zapisie na aśmę magneofonową było jeszcze lepiej: sygnały zby duże były kompresowane łagodnie zmniejszane, bez wardych zniekszałceń. Później, w epoce ranzysorowej, problem przeserowania sał się poważniejszy, choćby dlaego, że w układach zasilanych zdecydowanie niższymi napięciami, ławo dochodziło do osrego obcięcia wierzchołków (clipping), skukującego bardzo nieprzyjemnym chrypieniem. We współczesnych urządzeniach przeserowanie oznacza warde obcinanie wierzchołków, czy o symeryczne, czy niesymeryczne, jak pokazuje rysunek 12. Sygnały audio są bardzo przerywise, wysępują w nich silne piki, niemniej ryzyko przeserowania oru audio można wyeliminować, zmniejszając średni, nominalny poziom sygnału roboczego. Dlaego w profesjonalnych insalacjach poziom nominalny sygnału jes od kilku do ponad 20 decybeli niższy niż poziom ograniczenia Rys. 11 obcinania wierzchołków. Odsęp między poziomem odcinania wierzchołków (clipping) a poziomem nominalnym jes określany mianem headroom. Headroom o niejako zapas miejsca nad głową. Podkreślmy jednak, że duży zapas o ryzyko Rys. 12 U Elekronika dla Wszyskich 63 czas U a) b) U ograniczenia warde symeryczne ograniczenia warde niesymeryczne czas czas czas
zmniejszenia realnej dynamiki, bo cichsze fragmeny będą ginąć w nieodłącznych szumach. Headroom w sarych sysemach analogowych z konieczności nie był duży z uwagi na ograniczoną dynamikę i znaczący poziom szumów ówczesnych orów audio. Dziś w epoce cyfrowej może być większy do ego ważnego szczegółu jeszcze wrócimy. W każdym razie w prakyce należy orzymywać możliwe wysoki i jednakowy poziom sygnału, jednocześnie unikając przy ym przeserowania. Aby w pełni panować nad przekazem i ransmisją, inżynier dźwięku powinien więc mieć zarówno informacje o warościach szczyowych sygnału, jak eż o jego średniej głośności. Problemy e dały o sobie znać w radiofonii i częściowo w elefonii już w laach 20. i 30. XX wieku. Ówcześni realizaorzy dźwięku porzebowali wskaźników wyserowania, a do dyspozycji sał wedy skromny reperuar środków echnicznych. Jednym z poważnych ograniczeń była kwesia prosowania sygnału audio, ponieważ używane powszechnie mierniki wskaźniki reagowały na prąd sały, a nie zmienny. Wprawdzie już wedy porafiono realizować precyzyjne prosowniki przy wykorzysaniu lamp elekronowych, jednak akie wskaźniki z lampowymi przewornikami byłyby zby koszowne, nawe jak na zasosowania profesjonalne. Od dawna dosępne były eż specjalne lampy, mogące służyć za mierniki wyserowania. Były o sosunkowo prose lampy z luminoforem, gdzie doprowadzone napięcie sałe, napięcie siaki, powodowało zmianę wielkości świecącego pola (długości świecącego paska czy wielkości świecącego wycinka koła). Lampa ego ypu nazywana jes poocznie magiczne oko. Lampy akie były częso sosowane w radioodbiornikach w roli wskaźników dosrojenia. Były one szybkie, ale nie sosowano ich w profesjonalnych miernikach poziomu audio, choćby z uwagi na niewielkie rozmiary wskaźnika i związaną z ym małą dokładność. Dla porządku waro wspomnieć, że w amych czasach dosępne eż były mierniki elekromagneyczne (z ruchomym magnesem), kóre nie wymagały żadnych prosowników, ylko mogły pracować bezpośrednio przy prądzie zmiennym, a na dodaek były o mierniki warości skuecznej (RMS). Nie nadawały się jednak zupełnie do roli wskaźników audio, ponieważ ciężki ruchomy magnes powodował, że mierniki e były bardzo powolne, zdecydowanie zby leniwe do akich zasosowań. PPM W laach 30. powsały w angielskiej BBC i w Niemczech wskaźniki o sosunkowo prosej budowie i niewysokiej cenie, kóre dziś nazywamy Peak Programme Meer (PPM). Nazwa wskazuje, że były o mierniki warości szczyowych. Dziś jednak nazwiemy je miernikami QPPM (Quasi PPM). Oóż prawdziwy miernik szczyowy PPM powinien reagować nawe na najkrósze impulsy i prawidłowo pokazywać ich warość szczyową. Tymczasem pierwsze wskaźniki PPM prawidłowo wskazywały dopiero poziom składników (impulsów) o czasie rwania co najmniej 4...10 milisekund. Waro przypomnieć, że na przykład przebieg o częsoliwości 2kHz ma okres 0,5ms, więc dopiero paczka 8...20 okresów powodowała pełną reakcję wskaźnika. Mierniki szczyowe PPM są sosowane do dziś i w międzyczasie ich paramery zosały ściśle określone w międzynarodowej normie IEC60268-10 (polski odpowiednik PN-IEC 268-10:1998). Norma a określa m.in., że impuls o czasie rwania 10ms powinien spowodować reakcję ylko o 1 decybel (12%) mniejszą niż sygnał ciągły. Impuls o czasie rwania 5ms powinien dać wskazanie o 2dB niższe, a impuls 3ms niższe o 4dB. Takie właściwości ma przewornik o sałej czasowej aaku (aack ime) 1,7ms. Z kolei wymaganie, by po zaniku sygnału wskazanie zmniejszyło się do 2 w czasie 1,5 sekundy, zosaje spełnione, gdy sała czasowa opadania (decay ime) wynosi 650ms. Dziś, w miernikach elekronicznych czasy aaku i opadania można regulować dowolnie. W szczególności czas aaku może być dowolnie króki. Jednak osiemdziesią la emu ograniczeniem była eż szybkość reakcji ówczesnych wskaźników. W miernikach szczyowych rzeba było sosować jak najszybsze mierniki. I ak w BBC wykorzysano wskazówkowe mierniki magneoelekryczne z ruchomą cewką. Foografia 13 pokazuje wygląd akiego wskaźnika. Skala opracowana przez Fo. 13 Fo. 14 BBC ma 7 jednosek. Poziom nominalny wynosi 4 działki, a jedna działka odpowiadała czerem decybelom. Z kolei w Niemczech chęnie wykorzysywano inne, szybsze wskaźniki, mianowicie galwanomery zwierciadlane (luserkowe), gdzie przepływ prądu odchylał niewielkie, lekkie luserko, odchylające wiązkę świała. Foografia 14 pochodzi z Wikipedii (hp://en.wikipedia.org/ wiki/peak_programme_meer), naomias w sieci, przy odrobinie wysiłku można znaleźć filmiki pokazujące działanie akich wskaźników świelnych. Szybkie mierniki PPM przeznaczone były do konroli szczyów sygnału, czyli do zapobiegania przeserowaniu oru. Ich wskazania nie niosły naomias żadnej użyecznej informacji o głośności. O prawidłową i jednakową głośność audycji różnego ypu musiał roszczyć się realizaor dźwięku na podsawie własnych odczuć. Obok wskaźników ypu PPM, od la dosępne były eż mierniki sygnału o zdecydowanie odmiennych paramerach. Chodzi o mierniki nazywane VU merami. Wokół ej nazwy narosły liczne miy i nieporozumienia. W nasępnym odcinku zajmiemy się właśnie VU-merami, kóre fachowo określane są skróem SVI. Pior Górecki Zawsze znajdziesz, przejrzysz i kupisz akualny numer Elekroniki dla Wszyskich (zarówno w wersji papierowej, jak i elekronicznej) na www.ulubionykiosk.pl 64 Elekronika dla Wszyskich
Problemy z głośnością, część 3 czyli od VU-meru do LUFS W poprzednich odcinkach zajęliśmy się niekórymi problemami, związanymi z pomiarem głośności. Omówiliśmy skądinąd pożyeczne mierniki PPM, kóre jednak nie dają żadnej wiążącej informacji o głośności. Nieco inaczej jes ze wskaźnikami ypu VU-mer. VU-mer, czyli SVI W roku 1939 w USA w BellLabs przy współudziale CBS i NBC opracowano miernik sygnału audio o właściwościach zdecydowanie odmiennych od europejskich mierników PPM. Nosił nazwę Sandard Volume Indicaor (SVI), ale jes zdecydowanie bardziej znany jako VU-meer. Jego paramery zosały określone w normach, najpierw amerykańskich, poem międzynarodowych (IEC 60268-17). W pierwonej wersji paramery e wynikały z mechanicznych właściwości użyego miernika wskazówkowego (mikroamperomierza 200uA). Miernik SVI (VU-mer) przeznaczony był zasadniczo do pomiaru poziomu sygnału w liniach elefonicznych, ale mógł być wykorzysywany akże w innych sysemach audio. Głównie z uwagi na pierwone przeznaczenie, czyli współpracę z liniami elefonicznymi, określone były nie ylko paramery dynamiczne, ale eż rezysancje. Sam układ pomiarowy składał się ze wskazówkowego miernika magneoelekrycznego (z ruchomą cewką) oraz z pełnookresowego prosownika. W późnych laach 30. XX wieku, oprócz prosowników-deekorów lampowych, dosępne były ylko prosowniki kupryowe i selenowe. W VU-merze wykorzysano mający lepszą liniowość (mniejsze napięcie progowe) prosownik kupryowy, czyli aki, gdzie maeriałem czynnym jes lenek miedzi (copper oxide). Rysunek 15 pokazuje rozwiązanie układowe wykorzysane w oryginalnym Rys. 15 VU-merze, pozwalające na zachowanie sałej rezysancji wejściowej i wyjściowej łumika. Cały przyrząd miał rezysancję wejściową 7500 omów, naomias rezysancja samego miernika, widziana przez prosownik, wynosiła 3900Ω, a do uzyskania porzebnych paramerów dynamicznych miernika wskazówkowego (odpowiednie łumienie drgań) niezbędny był szeregowy rezysor o warości 3600Ω. Dziwny może wydać się fak, że oryginalny VU-mer miał dodakowy łumik (aenuaor), pozwalający zmieniać czułość miernika. Tłumikiem ym jednak nie był pojedynczy szeregowy rezysor czy poencjomer, ylko zesaw rzech odpowiednio dobranych sprzężonych poencjomerów lub przełączników skokowych, kóry worzył łumik o sałej rezysancji wejściowej i wyjściowej. Taka budowa łumika była niezbędna, żeby zachować jednakową rezysancję wejściową (7,5kΩ) oraz żeby miernik zawsze widział rezysancję 3600Ω, by dzięki emu zachował pożądane paramery dynamiczne, niezależnie od usawienia łumika. Dziwny może się dziś eż wydać sposób pomiaru: w oryginalnym VU-merze należało ak wyregulować łumik, żeby uzyskać wskazanie 0VU, czyli 100% i dopiero wedy odczyać z łumika poziom sygnału. Oryginalny, pochodzący z roku 1940, opis VU-meru, nazywanego Sandard Volume Indicaor, można znaleźć pod adresem: www.aes.org/aeshc/pdf/chinn_a-new-svi.pdf Foografia 16 pokazuje wygląd wskaźnika oryginalnego VU-meru (zw. wersja A i B). W wersji A u góry umieszczona podziałka, doycząca jednosek VU, sięga od 20VU do +3VU, a niżej skala od 0 do 100%, przy czym 100% odpowiada 0VU. Foografia 17 pokazuje kilka przykładów współczesnych VU-merów. Co ciekawe, oryginalny miernik miał mieć wskazanie 0VU, czyli 100%, po dołączeniu do źródła sygnału zmiennego 1kHz o poziomie +4dBu na elefonicznej rezysancji 600Ω, co daje +1,228V. Przypomnijmy, że zasadniczo decybel o jednoska niemianowana, a wygodną logarymiczną miarę decybelową najpierw przyjęo do pomiarów mocy, przy czym moc 1mW na elefonicznej rezysancji 600Ω przyjęo jako zero decybeli, oznaczając m. Moc 1mW w rezysancji 600Ω odpowiada napięciu skuecznemu 0,775V. Później rozszerzono zakres zasosowań miary decybelowej i przyjęo, że niezależnie od rezysancji, zero decybeli o właśnie napięcie 0,775V, a dla wskazania na brak związku z rezysancją 600Ω, oznaczono u. Ponieważ u o zawsze napięcie 0,775V RMS (skueczne), +4dBu o 1,228V RMS. Pasmo częsoliwości roboczych VU-meru powinno wynosić co najmniej 35Hz do 10kHz przy Elekronika dla Wszyskich 65
dopuszczalnym błędzie 0,2dB oraz 25Hz do 16kHz przy dopuszczalnym błędzie 0,5dB. Jeżeli chodzi o paramery dynamiczne (balisyczne), o po nagłym podaniu przebiegu zmiennego 1000Hz, wskazanie 99% końcowej warości powinno zosać osiągnięe po 300ms, a wysępujący poem przerzu powinien wynosić 1%...1,5%. Czas opadania po gwałownym odłączeniu sygnału eż powinien wynosić około 300ms. Z uwagi na swą ociężałość, VU-mery zupełnie nie nadawały się do konroli warości szczyowych. VU-mery wykorzysywano pierwonie do kalibracji orów i sysemów elekomunikacyjnych, ale nie do pomiarów bieżącej głośności nagrań i ransmisji radiowych... Z jednej srony VU-mer był zdecydowanie powolniejszy od europejskich mierników PPM, ale z drugiej jego wskazania były bardziej zbliżone do subiekywnie odczuwanej głośności, co rakowano jako zaleę, sąd eż jego nazwa. Słowo volume w nazwie należy rozumieć jako głośność. W en sposób nazwa przyrządu wskazuje, że chodzi o miernik głośności. VU o skró od Volume Uni jednoska głośności. VU-mer zosał opracowany do zasosowań profesjonalnych, głównie dla elekomunikacji, jednak z upływem czasu rafił akże do sudiów radiowych. Zwłaszcza po upowszechnieniu się am magneofonów, najpierw szpulowych, poem kaseowych, porzebne były w nich jakieś wskaźniki wyserowania do konroli poziomu zapisywanego sygnału. Trzeba z naciskiem przypomnieć, że zapis na aśmę magneyczną jes olerancyjny na przeserowanie z uwagi na miękkie ograniczanie (parz rysunek 11). Zby silne sygnały nie są dramaycznie zniekszałcane i aki rodzaj zniekszałceń należy raczej uznać za kompresję, czyli zjawisko, kóre ma pozyywne cechy. Oznacza o między innymi, że w przeciwieńswie do np. oru audio w nadajnikach radiowych, krókie Fo. 16 piki, czyli chwilowe zwiększenie poziomu zapisu na aśmie, nie grożą rażącymi zniekszałceniami. W magneofonach nie były zaem konieczne szybkie wskaźniki PPM, a z powodzeniem wysarczyły powolniejsze wskaźniki ypu VU-mer. Wskaźniki o właściwościach VU-meru miały nawe ę zaleę, że pozwalały konrolować w przybliżeniu głośność nagrywanego sygnału. Później magneofony rafiły pod srzechy. W domowym sprzęcie nie było porzeby sosowania mierników wyserowania o ściśle określonych paramerach dynamicznych. Dlaego eż w magneofonach monowane były rozmaie mierniki wyserowania, w ym bardzo prose, o nienormowanych właściwościach. W magneofonach lampowych częso funkcję wskaźników wyserowania pełniły lampy ypu magiczne oko foografia 18 pokazuje dwie lampy EM84. Poem funkcję ę przejęły mierniki wskazówkowe, jak na foografii 17, a później akże wyświelacze elekroniczne na diodach LED przykład na foografii 19 oraz na świecących próżniowych wskaźnikach VFD foografia 20. Fo. 17 Tu waro nadmienić, że w przypadku mierników wskazówkowych ich szybkość była ograniczona mechaniczną bezwładnością wskazówki. Ograniczenia ego nie było w miernikach elekronicznych LED i VFD. Bez problemu można było na nich zrealizować bardzo szybkie wskaźniki szczyowe o właściwościach PPM, a nie powolnego VU-meru. Zaczęły eż pojawiać się elekroniczne wskaźniki LED i VFD, kóre miały dodakową funkcję Peak Hold, czyli pamięć szczyów. Taki wskaźnik, oprócz bieżących wskazań, zapamięywał na jakiś czas najwyższą warość i pokazywał ją w posaci zaświeconego pojedynczego segmenu. Na foografii 21 masz przykłady akich wskaźników. Zasadniczo miernik, zawierający powolny VU-mer i do ego oddzielny, szybki obwód pamięci szczyów (Peak Hold) mógłby odgrywać bardzo pożyeczną rolę dwóch mierników (średniej głośności oraz osrzegający przed przeserowaniem). Jednak rzeba jeszcze raz podkreślić, że w przypadku magneofonów, szybkość i charakerysyka dynamiczna wskaźników wyserowania nie miały Fo. 18 66 Fo. 19 Elekronika dla Wszyskich
Fo. 20 większego znaczenia i paramery dynamiczne bywały różne, zależnie od upodobań konsrukorów i sylisów. Także funkcja Peak Hold była rakowana raczej jako dodakowy bajer. Właściwości ego rodzajów podwójnych mierników nie zosały unormowane. Dla głównego wąku arykułu ważna jes informacja, że skala omawianych wskaźników częso przypominała skalę profesjonalnego VU-meru. Niekóre nawe miały akie właśnie oznaczenie przykłady masz na foografiach 17 i 19. Dlaego z czasem, przynajmniej w naszym kraju, nazwa VU-mer (wumer) sraciła swoje pierwone, precyzyjne znaczenie i zaczęła oznaczać wszelkie mierniki wyserowania. Tymczasem rzeba u z całą mocą podkreślić, że paramery magneofonowych wskaźników wyserowania, oprócz podobnej skali, zazwyczaj Fo. 21 miały bardzo luźny związek z pierwonym, profesjonalnym VU-merem i jego właściwościami. Doyczyło o nie ylko poziomu nominalnego, ale przede wszyskim paramerów dynamicznych. Wskaźniki mogły być szybsze lub wolniejsze od prawdziwego VU-meru w przypadku magneofonów i mikserów nikomu o specjalnie nie przeszkadzało. Syuacja zmieniła się wraz z wprowadzeniem cyfrowego sposobu zapisu. Najpierw doyczyło o profesjonalisów, później akże zwykłych użykowników. Zajmiemy się ym w nasępnym odcinku. Pior Górecki Elekronika dla Wszyskich 67
Problemy z głośnością, część 4 czyli od VU-meru do LUFS W przedniej części arykułu omówiliśmy wskaźniki epoki analogowej, w ym wskaźniki PPM oraz SVI, czyli VU-mery. W ej epoce analogowej właściwości wskaźników nie były kryyczne. Sporo zmieniło pojawienie się cyfrowego zapisu i cyfrowej obróbki sygnałów audio. Zapis cyfrowy Dziś zapis cyfrowy jes wykorzysywany powszechnie. Cyfrowe płyy CD weszły na rynek już w roku 1982, jednak użykownik nie ma am żadnego wpływu na zapis. Wypadałoby więc wspomnieć o pierwszym dosępnym dla przecięnych użykowników, w miarę popularnym cyfrowym sysemie rejesracji DAT (Digial Audio Tape), wprowadzonym przez Sony w roku 1987. Niewielka kasea (foografia 22 z Wikipedii) mieściła kilkanaście do kilkudziesięciu gigabajów danych. Później pojawiła się możliwość zapisu audio w kompuerach, kóre miały coraz lepsze kary dźwiękowe. O ile analogowy zapis na aśmie magneycznej ze swej naury jes mało wrażliwy na przeserowanie, o yle zdecydowanie inaczej jes w sysemie DAT i przy zapisie kompuerowym. Problem nie wynika z właściwości zapisu magneycznego, ylko głównie z właściwości przewornika Fo. 22 analogowo-cyfrowego, a doyczy wszelkich cyfrowych sysemów audio. Dlaego musimy mu się przyjrzeć bliżej. Przy zapisie cyfrowym analogowy, ciągły sygnał audio najpierw jes próbkowany, czyli niejako zamieniany na kolejne próbki, poem każda próbka jes kwanowana. Te dwa eapy ilusruje rysunek 23. Najprościej biorąc, próbkowanie o określanie, jaką chwilową warość ma sygnał w momenach próbkowania. Jeżeli częsoliwość próbkowania jes co najmniej dwa razy większa od najwyższej częsoliwości składowej przewarzanego sygnału, wedy z ych próbek można wiernie odworzyć pierwony sygnał. Częsoliwość próbkowania popularnego sygnału audio CD wynosi 44,1kHz, a w kompuerach częso wykorzysuje się częsoliwość próbkowania 48kHz lub 96kHz, a nawe 192kHz. W drugim eapie próbki są kwanowane, czyli przypisywana jes im pewna warość liczbowa. W związku z budową przeworników z reguły wykorzysuje się liczby dwójkowe. Nasze rozważania nieco urudnia fak, że sygnały audio o przebiegi zmienne, kóre mają warości dodanie i ujemne. Szczegóły nie są porzebne do dalszych rozważań. Aby pokazać ylko isoę sprawy, pomińmy problem napięć ujemnych i rozparujmy ylko dodanie połówki. W największym uproszczeniu można przyjąć, że kolejne próbki o liczby całkowie od zera (brak sygnału) do jakiejś warości maksymalnej, zależnej od rozdzielczości przewornika A/C. I ak przy 8-biowym przeworniku analogowo- -cyfrowym mamy do dyspozycji liczby 0...255, czyli ylko 256 poziomów. Przy przeworniku 16-biowym mamy liczby z zakresu 0...65535, czyli 65536 poziomów. Od jakiegoś czasu sandardem jes rozdzielczość 24-biowa, a wedy do dyspozycji mamy liczby z zakresu a) b) c) 0 +0,5 +0,866 +1 +0,866 +0,5 0 Rys. 23 0...16777215, czyli 16777216 poziomów (wykorzysuje się eż zmiennoprzecinkowy zapis 32-biowy, ale o odrębne zagadnienie). W każdym razie analogowy sygnał audio jes przewarzany na ciąg liczb (co najmniej kilkadziesią ysięcy liczb na sekundę). Ten sygnał dźwiękowy, mający posać ciągu liczb, może być zapisany i odworzony. Moglibyśmy mierzyć sarymi meodami poziomy napięć analogowych, ale porzebne są eż nowe wskaźniki, kóre zobrazują poziom sygnału cyfrowego ciągu liczb. Takie nowe mierniki są wręcz konieczne, ponieważ sygnał cyfrowy może eż być wzmacniany lub osłabiany meodami numerycznymi (co oznacza mnożenie przez liczbę większą lub mniejszą od _ 0,5 _ 0,866 _ 1 _ 0,866 _ 0,5 0 Elekronika dla Wszyskich 63
jedności). Takie cyfrowe sygnały można eż mieszać (dodawać) przez odpowiednie obliczenia, można zmieniać barwę, przeprowadzać różnego rodzaju korekcje i modyfikacje. Cyfrowa obróbka dźwięku polega na przeprowadzaniu mnóswa obliczeń maemaycznych, a w wyniku akich obliczeń orzymuje się inne liczby. Częso konieczne jes, żeby osoba przeprowadzająca akie operacje miała pełną konrolę nad poziomami przewarzanych sygnałów. W przypadku pomiaru sygnałów cyfrowych zwykle zupełnie nie ineresuje nas, jakie napięcie odpowiada poziomowi maksymalnemu mamy do dyspozycji ylko liczby. Niezbędne są mierniki, kóre w sensowny i zrozumiały dla człowieka sposób zobrazują poziomy sygnału cyfrowego. Skala cyfrowa Z uwagi na logarymiczną charakerysykę czułości słuchu ludzkiego sygnały audio mierzymy w miarach logarymicznych w decybelach. Także w miernikach sygnału cyfrowego waro i rzeba wykorzysać miarę logarymiczną. Tymczasem prakycznie wszyskie współczesne przeworniki analogowo-cyfrowe mają charakerysykę liniową. Liczba dwójkowa, uzyskiwana z przewornika, jes liniowo zależna od warości napięcia, podawanego na wejście, co rysunek 24 w dużym uproszczeniu ilusruje za pomocą schodków o równej wysokości. Wysokość schodków opisana jes uaj liczbami dziesięnymi, ale w rzeczywisości z przewornika A/C orzymujemy liczbę dwójkową. Liniowa zależność przewarzania może wydawać się oczywisa, ale należałoby wspomnieć, że niekóre elefoniczne przeworniki analogowo-cyfrowe miały charakerysykę nieliniową, gdzie schodki przy małych sygnałach i schodki przy silnych miały inną wielkość (rysunek 25), co zdecydowanie poprawiało paramery dźwięku. Można powiedzieć, że charakerysyka akich przeworników była logarymiczna, bardziej odpowiadająca czułości ludzkiego słuchu. Przy mniejszej liczbie poziomów można wedy osiągnąć dużo lepsze odwzorowanie dźwięku. Powszechne wykorzysywanie liniowych przeworników A/C według rysunku 24 oznacza swego rodzaju marnorawswo w zakresie silnych sygnałów, gdzie w mierze logarymicznej duża dokładność nie jes porzebna. Jes o wprawdzie marnorawswo, ale nie ma żadnego problemu, żebyśmy różnice poziomów sygnałów cyfrowych wyrażali w decybelach zgodnie z definicją wysarczy logarym 64 8 7 6 5 4 3 2 1 _ 1 _ 2 _ 3 _ 4 _ 5 _ 6 _ 7 _ 8 Full scale Rys. 24 Rys. 25 ze sosunku ych poziomów pomnożyć przez 20. Tu rzeba podkreślić, że aka cyfrowa skala ma wardą granicę od góry, kórej nie było we wcześniejszych analogowych sysemach audio. W analogowych wskaźnikach wyserowania mieliśmy jakiś poziom nominalny, częso oznaczany jako zerowy, np. w VU-merze, ale nie była o warda granica. Niewielkie przekroczenie ego poziomu zerowego było am możliwe i dopuszczalne, ponieważ powodowało powsanie jedynie niewielkich zniekszałceń, co pokazuje rysunek 26. Inaczej jes we wszelkich sysemach cyfrowych, gdzie maksymalny przebieg o aki, kórego wierzchołki mają warość maksymalną (pełną skalę Full scale) dla danego przewornika A/C. Sygnalizuje o już rysunek 24 zwiększanie napięcia wyjściowego nie zwiększy liczby wyjściowej powyżej poziomu oznaczonego Full scale (pełna skala). Twardą granicę przy przewarzaniu cyfrowym ilusruje obrazowo rysunek 27. Największą prawidłowo przewarzaną warością jes Full scale. Podanie na przewornik większych napięć spowodowałoby charakerysyczne zniekszałcenia nieodwracalne obcięcie wierzchołków. Problem doyczy akże późniejszego przewarzania numerycznego sygnału cyfrowego, gdzie eż nie można przekroczyć zakresu dosępnych liczb. W każdym razie, w sysemach cyfrowych nie można przekroczyć wardej granicy dosępnej skali (zakresu liczb). Poszczególne przeworniki A/C i sysemy cyfrowe mają różną liczbę biów, ale niezależnie od liczby przewarzanych biów poziom największego niezniekszałconego sygnału (rysunek 27a) jes oznaczany. Aby uniknąć wąpliwości, zawsze maksymalną warość skali cyfrowej oznaczamy FS lub fs, gdzie lierki FS lub (fs) o skró od Full Scale. Charakerysyczne dla omawianej skali cyfrowej jes więc o, że niezależnie od liczby biów, warością maksymalną jes zawsze zero (FS), naomias warość minimalna skali o kolejne szerokie zagadnienie a) b) 8 7 6 5 4 3 2 1 _ 1 _ 2 _ 3 _ 4 _ 5 _ 6 _ 7 _ 8 Rys. 26 U przebieg bez czas ograniczenia U Full scale maksymalnie Full scale przebieg ze czas Rys. 27 Na pewno eoreyczna warość minimalna skali cyfrowej zależy od rozdzielczości wykorzysywanych przeworników A/C i C/A (od liczby biów sysemu cyfrowego). Od rozdzielczości biowej zależy bowiem dynamika sygnału, czyli użyeczny zakres ampliud, od najmniejszych do największych. Dynamikę należy rozumieć jako różnicę, odsęp między niezniekszałconymi sygnałami największymi a najcichszymi sygnałami użyecznymi. W prakyce dynamikę rozumie się jako odsęp między najsilniejszymi sygnałami a poziomem szumów. A przy przewarzaniu cyfrowym en poziom najcichszych syg- Elekronika dla Wszyskich
nałów i poziom szumów możemy uożsamić ze zmianami o 1 bi. Klasyczny (liniowy) przewornik 8-biowy nie zapewnia akcepowalnej jakości dźwięku, o czym dawniej mogli się przekonać użykownicy prosych 8-biowych przeworników cyfrowo-analogowych zwanych covox, dołączanych do poru drukarkowego. Pomijając problem ujemnych połówek sygnału, możemy policzyć, że osiem biów daje ylko 256 poziomów (schodków), co daje dynamikę poniżej 5. Z kolei 16 biów, czyli 65536 poziomów, daje dynamikę ponad 9. Naomias 24 biy z ponad 16 milionami poziomów eoreycznie dają dynamikę ponad 140 decybeli. Dziś w cyfrowych urządzeniach audio i w kompuerach powszechnie wykorzysuje się przewarzanie 24-biowe, więc Fo. 28 dolne krańce skal cyfrowych mogłyby sięgać nawe poniżej 14. Teoreyczna dynamika przewarzania cyfrowego o jedna sprawa, rzeczywisy poziom rozmaiych szumów o druga, a rzecia o realne porzeby pomiarowe. Oóż (analogowe) sygnały audio uzyskiwane z mikrofonów i innych przeworników dźwięku częso mają poziom szumów własnych na poziomie 60... 9 poniżej sygnałów najsilniejszych. Zależy o głównie od poziomu szumów własnych przeworników (mikrofonów) oraz przedwzmacniaczy. Odsęp sygnału użyecznego od szumów równy 9 uznaje się za przyzwoiy... Naomias jeśli chodzi o realne porzeby pomiarowe, o przy zapisie nie ineresują nas szumy, a jedynie sygnały użyeczne a w szczególności e najsilniejsze, kóre mogłyby być przeserowane. W analogowych VU-merach (miernikach SVI) użyeczna skala obejmuje jedynie 2 plus 3dB zapasu foografia 28. W sysemach cyfrowych wykorzysywane są mierniki o skali szerszej, Fo. 29 obejmującej zakres 6FS...FS, a niekiedy nawe 7FS...FS. Foografia 29 (z maeriałów znanej firmy RTW) pokazuje skale profesjonalnych mierników wyserowania różnych sandardów z analogowym wejściem, kóre są używane do dziś, a jeszcze przed kilku lay były podsawowymi miernikami sygnałów audio. Na samej górze masz wersję o charakerysyce i skali klasycznego VU-meru. Poniżej wspomnianą wcześniej skalę bryyjską (BBC). Niżej dwie skale mierników Fo. 30 szczyowych PPM wg niemieckiej (dziś europejsciej) normy DIN oraz skandynawskiej (Nordic). To nie są mierniki sygnału cyfrowego mierzą ylko sygnały analogowe. Tylko na samym dole foografii 29 masz miernik cygnału cyfrowego, kóry oprócz sandardowego cyfrowego wejścia AES/EBU ma eż cyfrowe wejścia S/ PDIF oraz opyczne TOS Link. Zwróć uwagę na najszerszy zakres pomiarowy, obejmujący 6. Paramery mierników wyserowania z cyfrowym wejściem są określone w międzynarodowej normie IEC60268-18. Prawie wszyskie przyrządy z foografii 29 są szybkimi wskaźnikami PPM. Wyjąkiem jes powolny z definicji górny VU-mer, ale i w nim jedna z dwóch linijek świelnych o wskaźnik PPM wg międzynarodowej normy. Cyfrowa echnika audio rodziła się na przełomie la 70. i 80. XX wieku. Wedy rozwiązania, wykorzysujące echnikę kompuerową, były słabo rozwinięe i bardzo koszowne. Dzisiejsze mikroprocesory pozwalają z ławością zrealizować mierniki wyserowania o dowolnych właściwościach i charakerysykach. Foografia 30 pokazuje profesjonalny miernik poziomu RM-M1F106 firmy Sonifex, akcepujący zarówno sygnały analogowe, jak i cyfrowe, gdzie można za pomocą przełączników wybrać jedną z charakerysyk, m.in. różnych mierników PPM oraz VU-meru. Pojawiły sie eż rozwiązania programowe mierników wyserowania poziomu. O ym w nasępnym odcinku. Pior Górecki R E K L A M A Elekronika dla Wszyskich 65
- - - Rysunek 31 - - rysunek 32 - - - mierników poziomu - - - - - Rys. 31 - rysunek 33 - - Rys. 32 - - - - - - - - - - - - - 60 Lipiec 2014 Elekronika dla Wszyskich
- - - - rysunku 34a - rysunek 34b - - Rys. 34 Full scale próbki zakresie czas Full scale wszyskie próbki zakresie czas Full scale próbki zakresie czas Full scale przeserowanie czas - - - - - - - - - - - - - - Rys. 33 - film (kino z efekami) muzyka klasyczna muzyka jazzowa muzyka rockowa - - - rysunek 35 - - - - Elekronika dla Wszyskich Lipiec 2014 61 mowa film (kino z efekami) muzyka klasyczna muzyka jazzowa muzyka rockowa mowa Rys. 35
- - - - - - - Pior Górecki R E K L A M A 64 Lipiec 2014 Elekronika dla Wszyskich
Problemy z głośnością, czyli od VU-meru do LUFS W poprzednich częściach arykułu przedsawione były informacje o miernikach poziomu sygnałów audio. Dla głównego wąku ważne jes, że ławo mierzyć warości szczyowe sygnałów, ale niesey, warości szczyowe mają znikomy związek z subiekywnie odczuwaną głośnością. Pomiar warości szczyowych jes jednak ważny, ponieważ pozwala uniknąć przeserowania (obcięcia wierzchołków) i związanych z ym zniekszałceń dźwięku. Zanim wreszcie omówimy problemy pomiaru głośności, wcześniej musimy omówić jeszcze jedno zagadnienie, wiążące się zarówno z warościami szczyowymi, jak i z głośnością. Zabawy z głośnością, czyli procesory dźwięku Oóż na począek rzeba jeszcze raz podkreślić, że sygnały audio o ej samej warości szczyowej mogą dramaycznie różnić się głośnością. To jes oczywise w przypadku z naury nieregularnych sygnałów audio, gdzie warości szczyowe wysępują co jakiś czas i prakyczny problem w ym, by e szczyy nie zosały przeserowane (obcięe). Co bardzo ważne, en sam sygnał można odpowiednio przeworzyć, by pozosawić niezmienione, nieprzeserowane, U małe sygnały przechodzą bez zmian U sygnał wejściowy rochę większe są nieco osłabiane sygnał wyjściowy silne sygnały są mocno osłabiane Rys. 36 czas czas część 6 1 : 1 - brak kompresji 1,2 : 1 - bardzo słaba kompresja kompresja 2 : 1 kompresja 3 : 1 kompresja 4 : 1 kompresja 10 : 1 20 : 1 - bardzo silna kompresja Sygnał wejściowy - skala logarymiczna [db] szczyy sygnału, a zwiększyć ampliudę słabszych składowych. Tak przeworzony sygnał będzie miał akie same warości szczyowe, a będzie głośniejszy. I oo doszliśmy do procesorów dźwięku akich jak kompresor, limier, a akże ekspandor i bramka szumów, kóre są bardzo pożyecznymi narzędziami do obróbki dźwięku. Podsawową ideę wszyskich ych procesorów dźwięku można bardzo ławo zilusrować przykładem bysrego człowieka operaora, kóry obsługuje poencjomer głośności, sosownie do chwilowej warości poziomu sygnału. Niech będzie o zwykły poencjomer, bez żadnego wzmacniacza. Wedy maksymalne wzmocnienie wynosi 1x, czyli, przy usawieniu poencjomeru na maksimum, i wzmocnienie można ylko zmniejszyć, czyli ściszyć dźwięk. Nasz bysry operaor słyszy dźwięk i dodakowo ma do dyspozycji dwa szybkie wskaźniki wyserowania: jeden przed poencjomerem (na wejściu) a drugi za poencjomerem (na wyjściu). Sosownie do chwilowego poziomu sygnału bardzo szybko zmienia on usawienia poencjomeru głośności. Oo generalna zasada działania akiego kompresora: czym większy sygnał, ym bardziej redukowane jes wzmocnienie. Tu wyjaśnia się eż nazwa: sygnały audio o dużym zakresie dynamiki zosaną ściśnięe, skompresowane i na wyjściu będą mieć mniejszą dynamikę, czyli mniejszą różnicę między dźwiękami najgłośniejszymi i najcichszymi, co ilusruje rysunek 36. W uproszczeniu można przyjąć, że bardzo małe sygnały przechodzą przez aki kompresor bez zmian poencjomer usawiony jes na maksimum. Gdy pojawiają się sygnały większe, nasz spryny operaor przesawia poencjomer i częściowo ścisza dźwięk. Ogólnie biorąc, czym większy sygnał, ym bardziej ścisza. To, jak mocno ścisza, określone jes przez ak zwany współczynnik kompresji. Przy współczynniku kompresji 1:1 operaor w ogóle nie doyka poencjomeru kompresor nie działa. Przy współczynniku kompresji 2:1 reakcja jes umiarkowana operaor Rys. 37 obserwuje wskaźniki i ak reguluje poencjomer, żeby zmiana sygnału wejściowego o 2 decybele spowodowała zmianę sygnału wyjściowego o 1 decybel. Przy zadanym współczynniku kompresji 4:1 reakcja operaora jes silniejsza: wzros sygnału wejściowego o 4dB będzie powodował zwiększenie sygnału wyjściowego o 1dB. Sopień kompresji 10:1 oznacza, że operaor reaguje jeszcze silniej: wzros sygnału wejściowego o 1 spowoduje wzros sygnału wyjściowego o 1dB. Charakerysyki akiego kompresora przy różnych sopniach kompresji pokazane są w uproszczeniu na rysunku 37. Naomias rysunek 38 wyjaśnia, jaki jes sens ak narysowanych charakerysyk. Prosy przykład z poencjomerem obsługiwanym przez sprynego operaora o chyba najprossze wyłumaczenie zasad działania procesorów dynamiki dźwięku. Jednak przykład en nie wyjaśnia wszyskiego. Przede wszyskim na podsawie akiego opisu można dojść do wniosku, że procesory dynamiki, a w szczególności kompresor, mogą ylko osłabić sygnał. Zdecydowanie zmienia syuację fak, że na wyjściu procesora dźwięku zawsze przewidziany jes wzmacniacz, kóry może wzmocnić sygnał za poencjomerem. W rzeczywisości Elekronika dla Wszyskich Sierpień 2014 29 Sygnał wejściowy - skala logarymiczna [db]
kompresor, obok poencjomeru i układu serującego, zawiera akże wzmacniacz wyjściowy, kórego wzmocnieniem można usawić według porzeb rysunek 39. Mimo wszysko wielu Czyelników nadal słusznie może mieć liczne wąpliwości i pyania. Procesory dynamiki dźwięku (kompresor, limier, ekspander, bramka szumu, a akże deesser i układ ARW) zosaną dokładniej opisane w oddzielnym arykule. Naomias podkreślmy jeden szczegół, związany z głównym wąkiem doyczącym problemu głośności. Mianowicie można ak usawić kompresor ze wzmacniaczem wyjściowym, żeby na jego wyjściu warości szczyowe sygnału były akie same, jak warości szczyowe sygnału wejściowego. A wedy nie będziemy mówić, że silniejsze sygnały są łumione, ylko powiemy, że najsilniejsze sygnały przechodzą przez ak usawiony kompresor bez zmian, naomias sygnały słabsze są wzmacniane. Czym są mniejsze, ym bardziej są wzmacniane. Ilusruje o rysunek 40, pokazujący zmiany poziomu sygnałów o różnej wielkości, po przejściu przez kompresory o innych współczynnikach kompresji. Nie wchodząc w szczegóły, powiemy, że odpowiednio usawiony kompresor zmniejsza różnice między najcichszymi i najgłośniejszymi fragmenami. Efek jes aki, że po pierwsze fragmeny cichsze sają się dużo głośniejsze, a po drugie, co dla nas eraz ważniejsze, zwiększa się średnia głośność. Kompresory były i są częso wykorzysywane w procesie obróbki dźwięku. Kompresja o ineligenna obróbka dźwięku, kóra nie powoduje znaczących zniekszałceń. Po odpowiednim usawieniu kompresora sygnały przed i po skompresowaniu mają podobne warości szczyowe, ale możemy szucznie zwiększyć średnią głośność. Czym większy sopień kompresji, ym bardziej zwiększymy średnią głośność. I właśnie akie szuczki sosowano jeszcze niedawno podczas przygoowania reklam, w kórych sygnał audio był wyjąkowo silnie kompresowany, przez co jego subiekywnie odczuwana głośność była dużo większa. Miało o przykuć uwagę odbiorcy i zwrócić uwagę na reklamę. Rys. 40 sygnał wejściowy 5dB 1 15dB 2 25dB 3 35dB 4 45dB 5 55dB 6 65dB 7 75dB 8 85dB 9 kompresor 2 : 1 sygnał wyjściowy 5dB 1 15dB 2 25dB 3 35dB 4 45dB sygnał wejściowy 5dB 1 15dB 2 25dB 3 35dB 4 45dB 5 55dB 6 65dB 7 75dB 8 85dB 9 kompresor 1,5 : 1 sygnał wyjściowy 5dB 1 15dB 2 25dB 3 35dB 4 45dB 5 55dB 6 Sygnał wyjściowy skala logarymiczna sygnał wejściowy 5dB 1 15dB 2 25dB 3 35dB 4 45dB 5 55dB 6 65dB 7 75dB 8 85dB 9 kompresor 3 : 1 kompresja 2 : 1 Sygnały wejściowe o różnych ampliudach Problem nadmiernej głośności reklam w przekazach radiowych, a zwłaszcza elewizyjnych, wypłynął na świało dzienne na przełomie suleci, a więc kilkanaście la emu. Tu należy podkreślić jeszcze raz, że poziomy szczyowe sygnału reklam wcale nie były większe niż szczyy normalnego programu. Tor audio podczas reklam wcale nie był przeserowany. Mierniki warości szczyowych (o charakerysykach PPM) okazywały się bezradne: pokazywały podobne warości, jednak głośność Rys. 38 kompresowanego sygnału reklam była dużo większa niż zwykłego programu. Nasąpiła wojna reklamodawców na zasadzie czyja reklama głośniejsza?. Nie ulega wąpliwości, że była o prawdziwa wojna i doczekała się nazwy Loudness war. Zwiasuny ej wojny pojawiły się już w laach 80. XX wieku i doyczyły nie ylko reklam, ale eż wszelkich uworów muzycznych, wydawanych na płyach CD. Ineresujące informacje o aspekcie ej wojny, doyczącym pły CD, można znaleźć w polskiej Wikipedii właśnie pod hasłem Loudness war: hp://pl.wikipedia.org/wiki/loudness_war Wskazano am, że na począku epoki pły CD zapisywany na płyach maeriał miał niższe poziomy, a jeśli był skompresowany, o w małym sopniu. Można powiedzieć, że zawierał fragmeny najgłośniejsze, a akże bardzo ciche i w dużym sopniu wykorzysywał dosępną w sysemie CD dynamikę 96dB. Z biegiem la sosowano coraz silniejszą kompresję, zmniejszając ym dynamikę i zwiększając średnią głośność muzyki. Sarszym Czyelnikom, pamięającym czasy sprzęu analogowego i walki o jak największy odsęp sygnał/szum, wyda się bardzo dziwne, że dziś nie ylko nie wykorzysuje się możliwości dynamicznych płyy CD, ale celowo dynamika uworów jes ograniczana. Dramayczny przykład pokazany jes na rysunku 41 (wg Wikipedii). Oba pokazują fragmen wykresu czasowego piosenki My Apocalypse zespołu Meallica. Przebiegi Wejście sygnał wyjściowy 5dB 1 15dB 2 25dB 3 35dB 4 45dB 5 55dB 6 65dB 7 75dB 8 85dB 9 sygnał wejściowy 5dB 1 15dB 2 25dB 3 35dB 4 45dB 5 55dB 6 65dB 7 75dB 8 85dB 9 Sygnał wejściowy skala logarymiczna regulacja wzmocnienia odwód serujący wzmocnieniem Skompresowane sygnały wyjściowe dodakowy wzmacniacz Wyjście kompresor Rys. 39 kompresor 4 : 1 sygnał wyjściowy 5dB 1 15dB 2 30 Sierpień 2014 Elekronika dla Wszyskich