informatyka 1 Techniki nagrywania ksztatowania i odtwarzania dwiku

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 Ad. Lib, wyposażona w złącze ISA. • Sercem karty był procesor Yamaha YM 3812. • 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, 1 k. Hz w 16 bitowej rozdzielczości. Istniała możliwość podłączenia modułu Wave Blaster, który posiadał 4 MB próbek dźwięków. • W 1994 r. wprowadzono nowy model karty Sound Blaster AVE 32, 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: 24 bit/96 k. Hz wejście i wyjście S/PDIF: 2 x RCA i 2 x Toslink wyjścia liniowe: 3 x stereo, - wejścia liniowe: 3 x stereo wejście mikrofonowe wejście i wyjście MIDI wyjście słuchawkowe, złącza Fire. Wire 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. Wrażenie wysokości dźwięku nie jest liniowo zależne od częstotliwości tonu. Występują różnice między lewym i prawym uchem. 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 20 o. C prędkość dźwięku wynosi ok. 345 m/s. • Zakres częstotliwości od 20 Hz do 20 k. Hz jest zakresem częstotliwości słyszalnych (fonicznych, audio). • Fala o częstotliwości 20 Hz ma długość 17, 25 m. Fala o częstotliwości 20 k. Hz ma długość 1, 72 cm. • Dźwięki o częstotliwości mniejszej od 20 Hz są nazywane infradźwiękami, zaś o częstotliwości większej od 20 k. Hz – 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 200 ms nie występuje. • Dla czasów od ok. 1 s 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 Charakterystyka kierunkowa Zasada działania mikrofonu p 1 i p 2 – 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 1 k. Hz. 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 Obszar, z którego zbierają dźwięk mikrofony w technice XY, przy użyciu mikrofonów o charakterystyce Kardioidalnej Ósemkowej Superkardioidalnej informatyka + 28

Techniki mikrofonowe Technika MS w tej technice używa się dwóch mikrofonów: jednego o charakterystyce kardioidalnej, drugiego o ósemkowej lub dwóch mikrofonów o charakterystyce ósemkowej dwóch mikrofonów o charakterystyce dwóch mikrofonów o charakterystykach ósemkowej i kardioidalnej Obszar, z którego zbierają dźwięk mikrofony w technice MS, przy użyciu 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 m 2). 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 PM 5 D 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 mp 3 informatyka + 40

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 d. B 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 d. B. 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 d. B. 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 d. B informatyka + 50

Odtwarzacze plików mp 3 • • 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 mp 3 zapewniają dynamikę ok. 90 d. B. informatyka + 51

Zalety techniki cyfrowej • Większa dynamika przenoszonych sygnałów (ok. 90 d. B). • 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