Techniki_nagrywania_..
Transkrypt
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