Techniki_nagrywania_..

informatyka +
1
Techniki nagrywania, kształtowania
i odtwarzania dźwięku
Andrzej Majkowski
informatyka +
2
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
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
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
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
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
Budowa kart dźwiękowych
informatyka +
8
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
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
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 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
Analiza dźwięku
Ton jest elementarnym
rodzajem dźwięku, dla
którego fala dźwiękowa ma
postać sinusoidy.
1
0.5
0
-0.5
-1
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
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1
0.5
0
-0.5
-1
informatyka +
13
Analiza dźwięku
Bardzo często w celu analizy sygnału dźwiękowego
korzysta się z jego częstotliwościowej reprezentacji.
Mówimy wtedy o tzw. widmie sygnału dźwiękowego.
informatyka +
14
Dźwięk
• 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.
informatyka +
15
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
Zasada działania
(pomiar ciśnienia akustycznego)
Charakterystyka kierunkowości
informatyka +
22
Mikrofony gradientowe
Zasada działania mikrofonu
Charakterystyka kierunkowa
p1 i p2 – wartości ciśnienia akustycznego
d
– droga ugięcia fali
φg – skuteczność mikrofonu
gradientowego
φgo – skuteczność mikrofonu
gradientowego mierzona
na osi mikrofonu
informatyka +
23
Charakterystyka kierunkowa
informatyka +
24
Mikrofony dynamiczne
Wstęgowe
Cewkowe
1- membrana
2 - cewka
3 - magnes
1 – wstęga
2 – magnes
3 – transformator
informatyka +
25
Mikrofony pojemnościowe
z polaryzacją zewnętrzną
z polaryzacją wewnętrzną
(elektretowe)
informatyka +
26
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
Techniki mikrofonowe
Technika XY
polega na ustawieniu na jednym statywie dwóch mikrofonów
o charakterystyce kardioidalnej lub ósemkowej
pod kątem ±45º do osi frontalnej
Kardioidalnej
Ósemkowej
Superkardioidalnej
Obszar, z którego
zbierają
dźwięk mikrofony
w technice XY, przy
użyciu mikrofonów
o charakterystyce
informatyka +
28
Techniki mikrofonowe
Technika MS
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
o charakterystyce
dwóch mikrofonów
o charakterystykach
ósemkowej
ósemkowej i kardioidalnej
29
informatyka +
29
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
System cyfrowego przetwarzania
sygnału fonicznego
informatyka +
31
Typowy układ studia nagraniowego
mikrofony
studio
okno
dźwiękoszczelne
monitory
głośnikowe
materiał
pochłaniający
stojak z
procesorami
efektów
stół
mikserski
rejestratory
reżysernia
informatyka +
32
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
cyfrowe
analogowe
Yamaha PM5D
informatyka +
Midas Heritage
35
Stoły mikserskie
informatyka +
36
Stoły mikserskie
informatyka +
37
Tor foniczny w stołach mikserskich
Sekcja wejściowa
Sekcja dodatkowa
Sekcja wskaźników
wysterowania
Główny tłumik
wyjściowy
informatyka +
Equalizer (EQ)
Sekcja monitorów
głośnikowych
38
Procesory dźwięku
• 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 zewnętrzne
oprócz przedwzmacniaczy w stole
mikserskim, stosuje się również:
⁻ przedwzmacniacze do
mikrofonów
⁻ wzmacniacze mocy
informatyka +
39
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
Fonograf to
jedno z pierwszych
urządzeń służących
do zapisu i
odtwarzania
dźwięku,
poprzednik
gramofonu.
informatyka +
41
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
Magnetofon szpulowy
Lata 60. XX wieku
1973 r.
informatyka +
43
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
Gramofon
Bambino - 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
1 – cewka
2 – magnes
P – kanał prawy
L – kanał lewy
informatyka +
46
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
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
Magnetofon cyfrowy
Magnetofon ADAT
informatyka +
49
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
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