Metodika zvukovej tvorby

Transcript

1 Metodika zvukovej tvorby DIPLOMOVÁ PRÁCA MÁRIO HUDÁČEK ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Martin Vaculík, PhD. Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce:18.máj 2007 ŽILINA 2007

2 ABSTRAKT Zvuk je dôležitou súčasťou nášho každodenného života. Používame ho ako médium na prenos informácie. Vieme ním vyjadriť, ba dokonca ovplyvniť emócie. V tejto práci sa zaoberám základnými princípmi šírenia zvukových vĺn a zvukového vnemu. Pojednáva o snímaní, úprave a vyžiarení zvuku. Venuje sa tiež záznamu zvuku a zvukovej tvorbe. Cieľom mojej práce je priblížiť problematiku spracovania zvuku. K praktickej časti tohto diela patrí vytvorenie znelky pre Katedru Telekomunikácií, ktorá sa nachádza na priloženom CD. 2

3 Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra Telekomunikácií ANOTAČNÝ ZÁZNAM DIPLOMOVÁ PRÁCA Priezvisko, Meno: Hudáček, Mário školský rok: 2006/2007 Názov práce: Metodika zvukovej tvorby Počet strán: 66 Počet obrázkov: 15 Počet tabuliek: 4 Počet grafov: 16 Počet príloh: 3 Použitá literatúra: 14 Anotácia Táto diplomová práca sa zaoberá metodikou zvukovej tvorby. Znelka Katedry Telekomunikácií je vhodná ako zvuková zložka pri prezentácií katedry. Kľúčové slová: šírenie zvuku, akustika, spracovanie zvuku, záznam zvuku, ozvučovanie, mikrofón, zvuková karta, znelka Vedúci práce: Recenzent práce: doc. Ing. Martin Vaculík, PhD. Ing. Michal Kuba, PhD. Dátum odovzdania práce:

4 OBSAH SLOVNÍK POUŽITÝCH VÝRAZOV... 7 ÚVOD VLNENIE Zvukové vnenie Šírenie vlnenia Postupné vlnenie priečne a pozdĺžne Akustické pole Blízke a vzdialené akustické pole Dozvuková vzdialenosť AKUSTIKA Hudobná akustika Tónové kvality SPRACOVANIE ZVUKU Snímanie Snímanie v uzavretom priestore Snímanie v otvorenom priestore Ozvučovanie Optimalizácia posluchu Mikrofóny Parametre mikrofónov Rozdelenie mikrofónov Konštrukcia tlakových mikrofónov ZÁZNAM ZVUKU História Analógový záznam

5 4.2.1 Gramofónový záznam Výroba gramofónových dosiek Magnetický záznam Digitálny záznam Bitová hĺbka Vzorkovacia frekvencia ZVUKOVÁ TVORBA Základné hardvérové prvky Zvuková karta Kontrolér Základné softvérové prvky Sekvencér Plug-in Samplér Efekty Echo Umelý dozvuk Konečná úprava Znelka katedry telekomunikácií Technická špecifikácia použitých prvkov MERANIE DOBY DOZVUKU Všeobecne Definícia a základné vzťahy pre normalizovanú dobu dozvuku Objemové a frekvenčné optimá doby dozvuku Postup pri meraní doby dozvuku Meranie doby dozvuku v pracovisku vývoja multimediálnych aplikácií Meracie prístroje, používané pri profesionálnom meraní dozvuku

6 ZÁVER ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY ZOZNAM PRÍLOH Príloha Príloha

7 SLOVNÍK POUŽITÝCH VÝRAZOV sekvencér syntetizátor samplér loop transpozícia plug-in VST delay decay kompresor attack release kontrolér HID BPM z angl. sequence (postup, poradie, úryvok), umožňuje pracovať z jednotlivými časťami hudobného projektu, určiť ich sled, či opakovanie (syntetizér) elektronický hudobný generátor. Zvykne sa rozlišovať medzi hardvérovým (syntetizátor) a softvérovým (syntetizér) generátorom z angl. sample (vzorka), podobne ako syntetizátor je elektronický hudobný nástroj. Na rozdiel od syntetizátora však nemá generátor signálu, ale používa zaznamenané vzorky tónov skutočných nástrojov z angl. slučka, opakovaný motív zmena tóniny podprogram, ktorý rozširuje funkcie hlavného programu (Virtual Studio Technology) štandardizované rozhranie na pripojenie syntetizérov, samplérov a efektových pluginov k zvukovému editoru, alebo sekvencéru v počítači. VST umožňuje rozšíriť programové vybavenie štúdia o virtuálne efekty z angl. oneskorenie, v hudobnej terminológii označuje čas, za ktorý sa ten istý, alebo efektom upravený zvuk opakuje z angl. útlm, pomerová hodnota intenzity pôvodného a opakovaného zvuku pri použití efektu efekt, ktorý vyrovnáva neželanú dynamickú fluktuáciu z angl. nábeh, doba nábehu, po ktorej kompresor začne plniť svoju funkciu z angl. uvoľniť, doba po ktorej kompresor ukončí svoju funkciu zariadenie na ovládanie sampléra z angl. Human Interface Device, zariadenie, ktoré slúži na ručné zadávanie údajov do počítača z angl. Beats Per Minute, jednotka tempa 7

8 rack mastering difúzor paraván stojan, alebo regál, určený pre montáž rôznych súvisiacich komponentov konečná úprava nahrávky prvok na rozptýlenie zvukového poľa v priestore, vhodným umiestnením sa dosahuje rovnomernejšie rozloženie zvukového poľa zvukovo izolačný panel pre operatívnu úpravu priestorovej akustiky, oddelenie hudobníkov, zníženie hlučnosti v telefonických centrách a v priestoroch kde nie je možné z akýchkoľvek dôvodov realizovať permanentné akustické úpravy. 8

9 ÚVOD Zvuková tvorba má veľký význam v oblasti multimediálnej komunikácie. Schopnosť zvuku pôsobiť na emócie sa efektívne využíva v mediálnom priemysle. Organizátori významných prezentácií, alebo veľkých reklamných kampaní si uvedomujú potrebu zvukovej zložky pri rôznych spôsoboch propagácie, preto venujú náležitú pozornosť jej zabezpečeniu. Táto práca prináša informácie o spracovaní zvuku, zvukovom zázname, zvukovej tvorbe, ale aj o metodike meraní akustických vlastností uzavretých priestorov. Vďaka rozvoju v mediálnej oblasti sa rozširujú možnosti uplatnenia znalostí z tejto disciplíny. 9

10 1 VLNENIE Vlnenie pružného prostredia môže prenášať energiu a teda signálovú informáciu. Odbor elektroakustiky sa zaujíma predovšetkým o zvukové vlnenie vo vzduchu ako prvý, alebo posledný článok prenosovej cesty a pre niektoré zvláštne prípady i prenos vlnenia v tuhom prostredí (chvenie). Pre dosiahnutie najlepších výsledkov je potrebné poznať vlastnosti a povahu vlnenia, teda základné zákonitosti, ktorým pri postupe prostredím podlieha. 1.1 ZVUKOVÉ VNENIE Vlnenie, ktoré má frekvenciu v rozsahu 20 až Hz sa označuje ako zvuk. Je počuteľné ľudským uchom. Tento rozsah je daný fyziologickými vlastnosťami Šírenie vlnenia Ak je v pružnom prostredí určitá častica uvedená do pohybu, či už rázového, alebo periodického, je tento pohyb zdieľaný pružnými väzbami i ďalšími časticami. Šírenie rozruchu prostredím sa nazýva vlnenie. Geometrické miesto bodov, do ktorých vlnenie dorazilo v určitom okamihu, sa nazýva čelo vlny. Geometrické miesto bodov prostredia, ktoré kmitajú s rovnakou fázou, je označované ako vlnoplocha. Čelo vlny je prvou z vlnoplôch (obr. 1.1). Podľa tvaru vlnoplochy je možné rozlíšiť rôzne typy vlnenia. V prípade rovinného vlnenia je vlnoplochou rovina, pri guľovom vlnení majú vlnoplochy tvar sústredných gulí a pri valcovom vlnení majú vlnoplochy tvar súosých valcových plášťov. Smery šírenia akustického vlnenia sú označované ako zvukové lúče. V izotropnom prostredí (t.j. tam, kde sú vlastnosti prostredia nezávislé na smere) sú zvukové lúče kolmé na vlnoplochy vo všetkých typoch vlnenia. V praxi sa samozrejme stretávame s omnoho zložitejšími vlnoplochami, ktoré sú výsledkom odrazov, lomov, či ohybov zvukových lúčov. K uvedeným typom vlnoplôch sa iba 10

11 blížia alebo vytvárajú prechodné typy. Ešte zložitejšie prípady nastávajú, ak nepôsobí iba jediná postupujúca vlna. V reálnych podmienkach je možné o prostredí, v ktorom sa vlnenie šíri, uvažovať vždy ako o prostredí s lineárnymi vlastnosťami. Preto je možné o každej postupujúcej vlne uvažovať samostatne a výsledný efekt zistiť na základe zákona superpozície súčtom (podľa druhu veličiny, o ktorej uvažujeme, súčtom skalárnym alebo vektorovým) jednotlivých postupujúcich vĺn. Obr. 1.1 Šírenie zvukovej vlny vo vzduchu a prepočet frekvencie na vlnovú dĺžku Príklad: pre f = 85 Hz je podľa horného - hrubého odčítania vlnová dĺžka = 4 m, podľa dolnej - jemnej stupnice λ = 4,05 m. 11

12 Podľa toho, aký je vzájomný vzťah lineárne závislých veličín akustického poľa, t.j. akustického tlaku a akustickej rýchlosti, je možné v zásade rozlíšiť tri rôzne tvary zvukových vĺn. 1. Rovinná vlna (zdrojom takej vlny je napríklad piest o značne väčšom priemere, než je vyžarovaná dĺžka vlny). Okamžité amplitúdy akustického tlaku a akustickej rýchlosti sú pri rovnakej fáze konštantné. Výkon sa určuje zo vzťahu,, ;,, (1.1) Kde I je intenzita zvuku [W/m 2 ], S uvažovaná plocha [m 2 ], P akustický tlak [Pa], ΡC akustický vlnový odpor [N s rn -3 ]. Vo veľkých vzdialenostiach od zdroja zvuku je možné považovať za kvázi rovinnú vlnu i vlny guľové, alebo valcové. 2. Guľová vlna (zdrojom je napríklad pulzujúca guľa). Okamžité hodnoty akustického tlaku a akustickej rýchlosti sa menia (klesajú) pri rovnakej fáze signálu úmerne so vzdialenosťou, teda ; ~ (1.2) pričom r je vzdialenosť od zdroja. Intenzita zvuku klesá s druhou mocninou vzdialenosti od zdroja. Za guľové žiariče je možné považovať takmer všetky prakticky sa vyskytujúce zdroje zvuku, pokiaľ sú ich rozmery veľmi malé v porovnaní s vlnovou dĺžkou šíriacej sa zvukové vlny (najväčší rozmer < λ/4). V skutočnosti sú často rozmery porovnateľné pre určité vyžarované vlnové dĺžky a navyše sa vyznačujú neguľovou vyžarovacou charakteristikou. Vo vzdialenom akustickom poli tiež pri týchto zdrojoch klesá akustický tlak úmerne so vzdialenosťou ako u guľových zdrojov, ale rozloženie akustického tlaku na určitej obalovej ploche nie je konštantné, ale je obrazom smerovej charakteristiky zdroja. 3. Valcová vlna (zdrojom je tzv. líniový zdroj, ktorý si môžeme predstaviť ako nekonečne dlhú a hustú radu bodových zdrojov kmitajúcich s rovnakou 12

13 fázou. Pre vzdialenosť od zdroja ďaleko menšiu, než je dĺžka líniového zdroja, klesá intenzita zvuku úmerne so vzdialenosťou ~ (1.3) a tomu zodpovedá zmena akustického tlaku ~ (1.4) Pre vzdialenosť od zdroja väčšiu, než je skutočná dĺžka reálneho líniového zdroja, je ~ ; ~ (1.5) teda rovnako ako pri guľovom zdroji Postupné vlnenie priečne a pozdĺžne Pre šírenie vlnenia predpokladáme existenciu prostredia, ktoré je zložené z hmotných častí a vyznačuje sa stlačiteľnosťou. K šíreniu vlnenia dôjde vplyvom silového pôsobenia budiaceho kmitania, kde sa rozruch (prenášaná energia) šíri od budenej častice (zdroja) rýchlosťou šírenia c. V rozsahu akustických frekvencií (t.j. počuteľných) označujeme mechanické vlnenie v plynnom či kvapalnom prostredí ako zvuk, mechanické vlnenie (kmitanie) v tuhých látkach ako chvenie. Ak častice prostredia kmitajú v smere šírenia vlnenia, hovoríme o vlnení pozdĺžnom (longitudinálnom). Pri kmitaní častíc kolmo na smer šírenia vlnenia hovoríme o vlnení priečnom (transverzálnom). O tom, či sa prostredím šíria vlny pozdĺžne, alebo priečne rozhodujú vlastnosti prostredia. Ak pri posuve jednej vrstvy prostredia vzhľadom k druhej vznikajú pružné sily (šmykové napätia), ktoré majú tendenciu vrátiť posunutú vrstvu do rovnovážnej polohy, môžu sa prostredím šíriť priečne vlny. Ak v prostredí vznikajú pružné sily pri stláčaní a rozpínaní, šíria sa v tomto prostredí vlny pozdĺžne. Pri oboch typoch vlnenia, priečnom i pozdĺžnom, kmitajú častice okolo určitej rovnovážnej polohy, ale nenastáva ich trvalý posun v prostredí. 13

14 1.2 AKUSTICKÉ POLE Akýkoľvek zdroj zvuku vytvára v okolitom priestore akustické pole, pri ktorom bez ohľadu na tvar jeho vlnoplôch rozlišujeme pojmy blízke a vzdialené pole a ďalej pole voľné (niekedy tiež priame či primárne) a difúzne pole. Pojem voľného či difúzneho poľa je viazaný na vlastnosti priestoru, a na vzdialenosť od zdroja. Blízke a vzdialené pole je viazané priamo na zdroj zvuku a na vzdialenosť od tohto zdroja v porovnaní s rozmermi zdroja a vlnovou dĺžkou vyžarovaného zvuku Blízke a vzdialené akustické pole Ako blízke pole sa označuje tá časť akustického poľa, kde pomer akustického tlaku a akustickej rýchlosti nie je rovný ρc (teda vlnovému odporu prostredia), a kde teda neplatí vzťah medzi intenzitou zvuku a štvorcom akustického tlaku kde I je intenzita zvuku P v z ;, ;, ;,, (1.6) je akustický tlak akustická rýchlosť merná akustická impedancia, (vlnová impedancia prostredia). Časť akustického poľa v blízkosti zdroja zvuku, kde sú porušené jednoduché vzťahy, nazývame tiež Fresnellovým priestorom; napr. pri guľovom žiariči platia vzťahy. 1 kde p je akustický tlak ;,,,,,, (1.7) ;,,, (1.8) Ρ hustota prostredia (pre vzduch Ρ 0 = 1,189 kg/m 3 ) ω r uhlová frekvencia (ω=2πf) je vzdialenosť od zdroja c rýchlosť šírenia (pre vzduch c 0 =343ms -1 ) v akustická rýchlosť v symbolickom vyjadrení k vlnové číslo k = 2π / λ. 14

15 Akustická rýchlosť v je komplexná veličina. Pokiaľ kr << 1 (t.j. v blízkosti zdroja či pre nízke kmitočty) je 1/kr >> 1a akustická rýchlosť a akustický tlak nie sú vo fáze. Absolútna hodnota akustickej rýchlosti je v blízkosti zdroja zvuku úmerná vzťahu ~ 1 ; (1.9) Až vo väčších vzdialenostiach r od zdroja zvuku klesá význam imaginárnej zložky a akustická rýchlosť je ~ ;, (1.10) a vlnový odpor ;, ;, (1.11) Medzi intenzitou zvuku I a akustickým tlakom p platí v bežných výpočtoch vzťah (6). Pre stanovenie dosahu blízkeho poľa zdroja zvuku je dôležitá jeho závislosť na frekvencii, na charakteristickom rozmere zdroja a na fázach, v ktorých je zvuk jednotlivými časťami zdroja vyžarovaný. Pritom charakteristický rozmer sa môže meniť s frekvenciou a uhlom, v ktorom sa pole stanovuje. Vo vzdialenom zvukovom poli, ktoré má súčasne charakter poľa voľného, klesá akustický tlak o 6dB pri zdvojnásobení vzdialenosti a intenzita zvuku je úmerná štvorcu akustického tlaku. Podmienky voľného zvukového poľa sú splnené, ak nemôžu v priestore, v ktorom sa zvukový zdroj nachádza, vzniknúť žiadne odrazy. Vyžarovanie zvukovej energie všesmerovým zdrojom zvuku sa v takom prípade deje rovnomerne do všetkých smerov, pretože neexistujú žiadne ohraničujúce plochy, na ktorých by odrazy mohli nastať. Na obr. 1.2 sú vyznačené typické oblasti rôznych typov zvukového poľa. 15

16 Obr.1.2 Rozdelenie akustických polí. (L vyjadruje hladinu akustického výkonu v db.) Dozvuková vzdialenosť Ak sa zdroj zvuku nachádza v uzavretom priestore, potom sa vlny vyžarované zo zdroja odrážajú od ohraničujúcich plôch. V uzavretom priestore nie je akustický tlak rovnaký v každom mieste dozvukovej časti vzdialeného poľa. Vzdialené pole je oblasť, v ktorej dochádza k vzájomnému skladaniu vĺn šíriacich sa priamo od zdroja a vĺn odrazených. Dozvukové pole označujeme ako pole difúzne, ak v každom bode priestoru je dopad zvukového lúča z ľubovoľného smeru náhodný, intenzita zvuku v priestore je konštantná a hustota akustickej energie je rovnomerne rozložená v akustickom poli. Hustota energie voľného poľa je definovaná vzťahom kde S je plocha. ;, ;,, ;,, (1.12) Hustota energie v dozvukovom poli je ;,, (1.13) kde A je celková pohltivosť priestoru [m 2 ]. 16

17 vzdialenosť) Z rovnosti ω p =ω d je možné určiť polomer doznievania (dozvukovú 0,14 ; (1.14) Je zrejmé, že pre polomer doznievania je akustický tlak vyvolaný voľným poľom rovnaký ako akustický tlak poľa difúzneho. Pokiaľ zdroj zvuku nie je všesmerový, bude aj polomer doznievania smerovo závislý. Preto je vhodné používať termín dozvuková vzdialenosť. Hustota energie dozvukového poľa sa nezmení pri celkovom vyžarovanom výkone Pc, ale hustota energie voľného poľa bude smerovo závislá podľa výkonu P Θ, vyžarovaného do určitého smeru. Pre P Θ platí: W; W (1.15) čo sa premietne do vzťahu (13) pre r d. ; (1.16) kde Q Θ je činiteľ smerovosti v smere Θ. 17

18 2 AKUSTIKA 2.3 HUDOBNÁ AKUSTIKA Zvuk dáva informáciu o okolitom svete a je prostriedkom slúžiacim k dorozumeniu. Určité zvuky vzbudzujú príjemný vnem. Ich štúdium je predmetom hudobnej akustiky, kam sa zaradzujú i hudobné nástroje. Elektroakustická hudba je samostatným odvetvím hudobnej akustiky Tónové kvality Základným pojmom v hudbe je tón, charakterizovaný štyrmi výraznými znakmi. Výškou, hlasitosťou, farbou a časovou dĺžkou. Hudobná akustika zahŕňa prvé tri znaky, ktoré sú subjektívnej povahy, pomocou objektívne (fyzikálne) zistiteľných veličín, a to frekvencie [Hz] (výška tónu), intenzity tónu [db] a tónového spektra, ktoré podáva obraz o farbe tónu. Medzi tónmi dvoch rôznych výšok (frekvencií) f1 a f2 existujú isté frekvenčné vzdialenosti. Hudobný interval medzi touto dvojicou tónov, kde f2 > f1 definuje hudobná akustika ako pomer f2 / f1. Ak je napr. tento pomer rovný číslu 2, vyšší tón je oktávou tónu nižšieho (primy) alebo interval medzi oboma tónmi je oktáva, osem tónov. Podobne o interval kvinty sa jedná vždy, ak f2 / f1 = 3/2, interval veľkej tercie je definovaný pomerom 5/4, atď. Vhodne zvolená množina tónov v rozmedzí jednej oktávy sa nazýva hudobná stupnica. Ladením v hudbe sa rozumie pravidlo stavby intervalov v stupnici. Už v staroveku bolo známe tzv. prirodzené ladenie. V ňom sú jednotlivé intervaly medzi tónmi dané pomermi malých čísel (napr. 3/2, 4/3, 8/5 a pod.), ktoré sa ľudskému uchu javili ako prirodzené. Dnes vieme, tieto prirodzené intervaly nie sú konštantné, ale že tu platia štatistické zákonitosti, teda že prirodzené intervaly (napr. 3/2, 9/5) sú limity, ku ktorým sa blíži pomer frekvencií oboch tónov. V 17. storočí si vyžiadal technický rozvoj klávesových a čoskoro i dychových nástrojov nové pravidlo ladenia, pretože požiadavky prirodzeného ladenia boli prakticky pre hru na klávesových a dychových nástrojoch nesplniteľné. Preto bolo zavedené 18

19 rovnomerne temperované ladenie. V ňom sa interval oktávy delí na 12 rovnakých poltónov. Jeden poltón má teda veľkosť 2 1, (pomer frekvencií f2 / f1) (2.1) Pre objektívne meranie veľkosti intervalov bola zavedená jednotka cent, definovaná ako 1/100 temperovaného poltónu. Temperovaný poltón má potom 100 centov, oktáva (čo je 12 temperovaných poltónov) centov. Pre prevod prirodzených a temperovaných intervalov na centy platí rovnica 2 / / (2.2) kde x je veľkosť intervalu v centoch, f 0 f Odtiaľ je frekvencia základného (vzťažného) tónu, kmitočet tónu, ktorého intervalovú vzdialenosť od f 0 meriame. 3986,6 (2.3) Medzi temperovanými a prirodzenými intervalmi rovnakej kategórie nie je dokonalá zhoda. Dva základné typy hudobných stupníc predstavujú stupnice dur a mol. Každá obsahuje 8 tónov, zoradených podľa určitých pravidiel. Frekvencie tónov stupníc dur a mol musia spĺňať tieto intervalové požiadavky: Tab. 2.1 Tónové intervaly 19

20 Ak je počiatočným tónom c, volá sa stupnica c dur. Tóny v stupnici potom nesú označenie uvedené v prvom riadku. Podobne molová, tzv. aiolská stupnica musí vyhovovať intervalovým podmienkam druhého riadku. Ak je počiatočným tónom a, stupnica sa volá a mol. Okrem stupníc dur a mol, ktorých susedné intervalové vzdialenosti sú poltón alebo celý tón (dva poltóny) a ktoré radíme do skupiny tzv. diatonických stupníc, sa v hudbe často stretávame s chromatickou stupnicou, kde intervalové vzdialenosti medzi susednými dvoma tónmi sú všetky rovnaké, poltónové. Poznáme tiež stupnice štvrťtónové, kde najmenší interval medzi susednými tónmi je 1/4 celého tónu (v temperovanom ladení 50 centov), stupnice šestinotónové, dvanástinotónové. Český skladateľ Alois Hába komponoval početné diela práve v týchto sústavách. Zkladným tónom pre výpočet absolútnych výšok (frekvencií) tónov je tzv. komorné a, t.j. tón a1 s frekvencii 440 Hz. Najčastejšie používaným ladiacim prístrojom v hudobnej praxi je ladička s frekvenciou 440 Hz. V orchestri sa spravidla ladí podľa tónu a1 hoboja, existujú samozrejme i presné elektronické ladiace prístroje. Pre označenie hlasitosti hudobného tónu sa používa subjektívna dynamická stupnica, vychádzajúca z dvoch základných pojmov: p - piano (slabo) a f - forte (silno). Subjektívna dynamická stupnica je udávaná v týchto stupňoch: zodpovedá približne hladine v db ppp čo najslabšie 40 pp veľmi slabo 50 p slabo 60 mp stredne slabo (mezzopiano) 65 mf stredne silno (mezzoforte) 70 f silno 80 ff veľmi silno 90 fff čo najsilnejšie 100 Tab. 2.2 Hudobná dynamická stupnica 20

21 Jeden stupeň subjektívnej dynamickej stupnice zodpovedá približne zmene o 10dB (s výnimkou medzistupňa mp) hladiny akustického tlaku vo výslednom hudobnom prejave orchestra. Jednotlivé hudobné nástroje môžu mať dynamický rozsah menší, napr. husle majú rozsah od 40dB do 70dB, a teda rozpätie 30dB. Farba tónu je charakteristickou vlastnosťou hudobného tónu a fyzikálne ju môžeme charakterizovať počtom a amplitúdami vyšších frekvenčných zložiek, teda spektrogramom. 21

22 3 SPRACOVANIE ZVUKU Proces, pri ktorom dochádza k premene akustických signálov na elektrické, následne k ich zosilneniu, redukcii šírky pásma ich frekvenčného spektra, alebo podobnej úprave a konečne k ich opätovnej premene na zvukové signály a vyžiareniu do reprodukčného priestoru, nazývame spracovaním zvuku. Spracovanie zvuku má tri základné časti, ktorými sú: snímanie, úprava a vyžiarenie. Špeciálnym prípadom je záznam. Spracovanie je ovplyvňované ako technickým, tak aj umeleckým hľadiskom. 3.1 SNÍMANIE Premena akustickej veličiny na elektrickú je to, čo označujeme ako snímanie zvuku. Rozumieme tým postup, ktorý volí zvukový technik pri umiestňovaní, smerovaní a volení vhodných typov mikrofónov, aby po spracovaní dosiahol pri reprodukcii požadovaný efekt Snímanie v uzavretom priestore Ak má priestor, v ktorom snímame, optimálnu dobu dozvuku (obr. 3.1), Obr. 3.1 Optimálna doba dozvuku 22

23 nie je umiestnenie mikrofónov kritické. Ak je dozvuková vzdialenosť väčšia ako sú geometrické rozmery snímaného zdroja zvuku (orchestra, zboru a podobne), je možné pre snímanie použiť jediný mikrofón (monofónia). Pritom je potrebné mať na zreteli, že: a) ak je intenzita jednotlivých zložiek signálov veľmi rozdielna a ich frekvencie sú podobné, dochádza k maskovaniu, t.j. zložka signálu s väčšou intenzitou prekryje zložku s menšou intenzitou, teda počuteľný je iba hlasnejší zvuk. b) Pomer medzi zložkou signálu od zvuku dopadajúceho priamo na mikrofón a zložkou od zvuku dopadajúceho na mikrofón po odrazoch od stien miestnosti je nutné voliť tak, aby bola poslucháčovi informácia o akustických vlastnostiach priestoru a o rozložení zdrojov zvuku v ňom reprodukovaná čo najvernejšie, aj pri použití jedného mikrofónu. Tento pomer je ovplyvnený vzdialenosťou mikrofónu od zdroja. Je dôležitý z estetického a fyziologického hľadiska. Je potrebné si uvedomiť, že zložka signálu dopadajúca priamo na mikrofón zastupuje neutrálny zvukový obraz, aký ľudskému uchu znie neprirodzene. Pri zvyčajnom sluchovom vneme sa do ucha totiž okrem zvukového signálu, ktorý vychádza priamo zo zdroja, dostanú tiež zvukové signály odrazené od stien a okolitých predmetov. Zložky odrazeného signálu nesú v určitej forme (frekvenčne a miestne závislým oneskorením) informáciu o akustických vlastnostiach priestoru i o vzdialenostiach zdrojov zvuku voči mikrofónu. Čím väčšmi prevláda priamy zvuk nad odrazeným, tým bližšie sa vo zvukovom obraze javí zdroj k poslucháčovi. Iná možnosť ovplyvnenia subjektívneho vnemu vzdialenosti zdroja zvuku od poslucháča spočíva vo zvolení typu mikrofónu. Akustickú rýchlosť v, vyvolanú guľovým žiaričom, môžeme rozdeliť na dve zložky: v 0, ktorá je vo fáze s akustickým tlakom (to znamená zložku vzdialeného akustického poľa) a v 90, ktorá je vzhľadom k tlaku fázovo posunutá o 90 (to znamená zložka blízkeho akustického poľa). Pokiaľ sa sníma s mikrofónom reagujúcim iba na akustický tlak (s guľovou smerovou charakteristikou), alebo s mikrofónom reagujúcim iba na akustickú rýchlosť (s osmičkovou charakteristikou), neuplatní sa zmena fázy 23

24 akustickej rýchlosti vzhľadom k akustickému tlaku vo výstupnej elektrickej veličine. Ak sa ale sníma s mikrofónom, reagujúcim ako na tlakovú, tak aj na rýchlostnú zložku (s kardioidnou smerovou charakteristikou), budú hodnoty na výstupe mikrofónu, pochádzajúce z relatívne blízkeho zdroja, iné ako hodnoty pochádzajúce zo zdroja relatívne vzdialeného. To najviac zodpovedá tomu, čo sa deje v sluchovom orgáne pri vnímaní zvuku. A je tým možné vysvetliť, že zvukové snímky, získané pomocou tlakového alebo rýchlostného mikrofónu, znejú takpovediac neprirodzene neutrálne. Na druhej strane, ak chceme zabrániť pri kardioidných mikrofónoch javu, pri ktorom vzniká dojem, že hlboké tóny poslucháč počuje, akoby prichádzali z bližšieho zdroja ako vysoké tóny, potom musíme podľa obr. 3.2 voliť takú vzdialenosť mikrofónu od zdroja zvuku, aby bol pomer v 90 / v 0 < 1, (t.j. 0dB;φ 45 ), a to pri najnižšej frekvencii. Obr. 3.2 Obrázok vyjadruje fázový posun φ medzi akustickou rýchlosťou v a akustickým tlakom p ako závislosť pomeru v90/v0 na vzdialenosti r; hodnota 0dB rozdeľuje akustické pole na blízke (nad 0 db) a vzdialené (pod 0dB). Príklad: Pre klavír s rozsahom od 30 Hz je treba voliť vzdialenosť mikrofónu r < 2m. Alebo je možné zistiť, že basový hlas pri frekvencii 200Hz 24

25 vyvoláva vzdialenostne rovnaký vnem vo vzdialenosti r = 1m ako sopránový hlas s frekvenciou 500Hz pri vzdialenosti 0,4m. Doplňujúce podmienky o umiestnení mikrofónu pri monofónnom snímaní: a) Mikrofón má byť vo vzdialenosti menšej, než je dozvuková vzdialenosť b) Prvá odrazená vlna by mala na mikrofón dopadnúť s oneskorením asi 20ms. To zodpovedá rozdielu dráh priamej a odrazenej vlny asi 7m. napríklad stôl rečníka na tlačovej konferencii môže byť príčinou neželaných odrazov. Najmä ak sú mikrofóny položené priamo na ňom. c) Oneskorenie prvej odrazenej vlny by nemalo presiahnuť 50ms, teda dráhový rozdiel približne 17m; rušivý charakter oneskorenia je taktiež podmienený jeho intenzitou d) Ak je vzdialenosť mikrofónu od zdroja r M a vzdialenosť spojnice mikrofón - zdroj od najbližšej steny d, potom je časové oneskorenie t prvej odrazenej vlny za vlnou priamou t = t odr t pr = 4 - [s;; ms -1, m,m,m] (3.1) Obr. 3.3 Určenie časového oneskorenia prvej odrazenej zvukovej vlny Ak je toto oneskorenie väčšie ako 50ms, je potrebné túto časovú medzeru preklenúť jednorazovým umelým opakovaním priameho zvuku s oneskorením 30 až 35ms. Ak nie je možné nájsť také umiestnenie jedného mikrofónu, aby dosiahol vzhľadom k dozvukovej vzdialenosti priestoru celý snímaný zdroj, je potrebné použiť viacero mikrofónov snímať polyfónnym spôsobom. 25

26 Väčšinou sa priraďuje jeden mikrofón určitej skupine zdrojov zvuku (nástroje, spevácky zbor). Celkový zvukový obraz vznikne z vhodne vyvážených a zmiešaných príspevkov od jednotlivých mikrofónov. Pritom je potrebné rešpektovať tieto fakty: a) Počet mikrofónov musí byť čo najmenší, aby nedochádzalo k interferenciám signálov jednotlivých mikrofónov. Pre zabránenie presluchu jednotlivých snímaných signálov sa používajú izolačné paravány, podobne ako pri eliminovaní odrazov od stien v štúdiu. b) Mikrofóny musia byť i v priebehu spracovania signálov vo fáze. c) Väčšinou pri snímaní viacerými mikrofónmi nie možné dosiahnuť uspokojivé pomery medzi signálmi priamych a odrazených vĺn. Preto sa informácia o akustických vlastnostiach priestoru získava pomocou zvláštneho mikrofónu. Tento mikrofón sa umiestňuje do vzdialenosti l md = c 0 t odr = 4 [m; ms -1, s; m, m] (3.2) Úroveň signálu dozvukového mikrofónu má byť najmenej o 6dB nižšia ako úroveň z mikrofónu pre priamy zvuk. Pre snímanie priameho zvuku sa odporúča použiť mikrofón s kardioidnou smerovou charakteristikou, pre dozvukový mikrofón môže byť použitý mikrofón s guľovou, alebo osmičkovou smerovou charakteristikou. d) V praxi sa skôr stretávame s priestormi, ktoré nemajú optimálnu dobu dozvuku. Môže byť príliš krátka, alebo dlhá, alebo má nevhodnú frekvenčnú závislosť. V týchto prípadoch sa riadime nasledujúcimi zásadami: 1. V priestoroch s príliš krátkou dobou dozvuku (akusticky zatlmených) sa rozloženie akustického poľa blíži k rozloženiu poľa vo voľnom priestore. Snímanie zvuku sa riadi zásadami pre snímanie vo voľnom priestore. 2. V priestoroch s veľmi dlhou dobou dozvuku sa volí polyfónny spôsob snímania a používajú sa mikrofóny s výrazne smerovými vlastnosťami. 3. V priestoroch s nevhodnou frekvenčnou závislosťou dozvuku sa volí rovnaký postup ako v prípade 2. 26

27 Zvláštnym prípadom je snímanie zvuku v uzavretom priestore, ozvučovanom snímanými signálmi. Pri tomto snímaní vzniká nebezpečenstvo rozkmitania celej ozvučovacej sústavy akustickou spätnou väzbou v slučke, v ktorej môžu byť ľahko splnené v širokom frekvenčnom pásme obe podmienky pre vznik netlmených kmitov, t.j. amplitúdová aj fázová Snímanie v otvorenom priestore Pri snímaní hudby, alebo reči vo otvorenom priestore je potrebné prihliadnuť na zásady snímania zvuku v priestore s optimálnou dobou dozvuku. Sníma sa zároveň s dozvukovými mikrofónmi. Signál z týchto mikrofónov dopĺňa zvukový obraz o čiastočne oneskorenú a menej intenzívnu zložku, keďže sa umiestňujú do väčších vzdialeností, podľa vzťahu (3.2). Jedná sa o vzdialenosť v rozsahu 7 až 17m za hlavnými mikrofónmi. Aby bol zvukový obraz vyvážený, je často potrebné použiť väčší počet mikrofónov. Rozmiestňujú sa tak, aby sa oblasti snímané súčasne viacerými mikrofónmi čo najmenej prekrývali. Iný prípad nastane pri ozvučovaní. Ozvučovanie je zväčšovanie prirodzeného dosahu zdroja zvuku. Prirodzeným dosahom rozumieme vzdialenosť od zdroja zvuku, v ktorej má energia zdroja dostatočnú hodnotu a signál dostatočnú kvalitu pre dobrý vnem. Ak bude energia ozvučovacieho zariadenia, dopadajúca na mikrofóny, rovnaká alebo väčšia ako energia od pôvodného zvukového zdroja, dôjde podobne ako v uzavretom priestore k vzniku netlmených kmitov pôsobením akustickej spätnej väzby. Ak je dosah zdroja p Z a má sa zväčšiť N krát, potom musí byť aj akustický tlak z reproduktorov N krát väčší, teda Np Z. Ak je vzdialenosť zdroj mikrofón l ZM a vzdialenosť mikrofón reproduktor l MR, splnia sa podmienky pre vznik akustickej spätnej väzby ak Ak, ;, (3.3) ; (3.4) spätná väzba nevznikne. V praxi sa počíta s určitou bezpečnosťou, vyjadrenou napríklad koeficientom bezpečnosti β (smerovosťou mikrofónu), ktorý nemá byť pre všesmerový reproduktor menší ako 2. Pokiaľ teda je 27

28 ; (3.5) akustická spätná väzba nevznikne. Príklad: Výpočet maximálnej vzdialenosti zdroja od mikrofónu (l ZM ) ak je s ohľadom na miestne pomery vzdialenosť l MR = 25m a prirodzený dosah zdroja v danom prostredí 10m má byť zvýšený na 50m. N = 50/10 = 5 krát; pri β = 2 bude l ZM = l MR / (Nβ) = 25 / (5.2) = 2,5 m Maximálnu vzdialenosť l ZM je možné zväčšiť použitím reproduktorov a mikrofónov so známymi smerovými charakteristikami a ich umiestnením do optimálnej vzájomnej polohy. V praxi sa používajú ozvučovacie systémy, ktoré majú implementované aktívne elektronické obvody pre potláčanie akustickej spätnej väzby. Sú navrhnuté tak, aby potláčali pásma v okolí rezonančných frekvencií systému. Pri ozvučovaní voľných priestorov je vhodné umiestniť reproduktory čo najbližšie k zdroju zvuku, aby nenastával rozpor medzi akustickým a optickým vnemom. Tým sa ale zmenšuje l ZM, v ktorej ešte mikrofón odovzdáva použiteľný signál a v prípade rozmerného zdroja zvuku (orchester, zbor) je nutné použiť viacero mikrofónov. Tým sa zväčší aj energia, privádzaná na vstup zosilňovačov a vzdialenosť l ZM je nutné ďalej zmenšiť s ohľadom na počet snímacích mikrofónov m. 3.2 OZVUČOVANIE Pojmom ozvučovanie označujeme v elektroakustickom prenosovom reťazci vyžarovanie spracovaného signálu do uzavretého, alebo do voľného priestoru. Toto zahŕňa určenie potrebných akustických výkonov, voľbu a rozmiestnenie reproduktorovej sústavy a stanovenie potrebného elektrického výkonu pre optimálny výsledný zvukový obraz. Rozoznávame: 28

29 ozvučovanie reprodukčné, kde sa zaznamenaný zvukový signál reprodukuje do ozvučovaného priestoru prizvučovanie, pri ktorom elektroakustickými zariadeniami zvyšujeme prirodzený dosah pôvodného zdroja zvuku. Druhému prípadu hovoríme prizvučovanie, pretože k vlastnému zvuku zdroja pridávame ten istý zosilnený signál, ktorý dosiahne do väčšej vzdialenosti v uvažovanom priestore. V tomto prípade musíme na rozdiel od ozvučovania čisto reprodukčného dbať na bezpečnosť proti akustickej spätnej väzbe medzi mikrofónmi a žiaričmi a zaistiť jej stabilitu. Za predpokladu, že elektroakustický reťazec má potrebné elektroakustické vlastnosti musíme zaistiť dostatočnú zvukovú intenzitu v požadovanom frekvenčnom pásme, takisto vyrovnanú hladinu hlasitosti v celom ozvučovanom, alebo prizvučovanom priestore. Preto je dôležité účelné rozloženie žiaričov s ohľadom na zvláštne okolnosti ozvučovaného priestoru a priaznivý smer postupu zvuku k poslucháčom. Najvyššie hladiny hlasitosti sa určia podľa účelu ozvučovacieho zariadenia. Podľa toho, či ide výhradne o reprodukciu, alebo reprodukciu a prizvučovanie. Hlasitosť je určovaná aj podľa časti programu (sprievodné slovo, hudba, umelecký prednes, jeho zvuková kulisa a pod.) a v neposlednom rade podľa hluku okolia. Pre stanovenie požadovaných hladín hlasitosti sa uvádzajú v praxi osvedčené hodnoty pre rôzne typy a účel ozvučenia. Napríklad pri ozvučení školského rozhlasu v triede sú požiadavky na hladiny hlasitosti odlišné ako pri ozvučení rozhlasu na nástupišti vlakovej stanice. Pri reprodukcii reči sa bežne požaduje minimálny odstup 25dB od hluku pozadia a špičková hladina reprodukovanej reči vyššia než 60 Ph (fónov), optimálne okolo 70 Ph. Pre vernú reprodukciu reči je potrebný dynamický rozsah 45 db, pre umelecký prednes 60 db. Dynamika reprodukcie sa počíta od prahu počuteľnosti v určitom prostredí so základným hlukom. Je vhodné si uvedomiť, že zvyšovaním hlasitosti reprodukovanej reči nad 70 Ph slabiková zrozumiteľnosť už nerastie, naopak pri vyšších hladinách ako 86 Ph začína klesať. Hlasitosť nad 105 db nemá zmysel. 29

30 3.2.1 Optimalizácia posluchu V prirodzenom zvukovom signáli určitej slabiky reči, môže byť zvuk v mieste posluchového priestoru superpozíciou: priameho zvuku (ak je poslucháč v primárnej vzdialenosti od rečníka) jeho odrazov od stien (ak je poslucháč v uzavretej miestnosti) základného hluku pozadia, tvoreného často aj oneskorene dobiehajúcimi a mnohokrát odrazenými, predchádzajúcimi slabikami. Sluchový orgán má v tomto komplexnom zvukovom signáli úlohu rozpoznať slabiku. Pri ozvučovaní je možné ovplyvňovať: 1. pôsobiacu intenzitu reprodukovanej zložky zosilnením 2. stanoviť v určitých hraniciach vzájomný časový posun signálov z reproduktorov (ich rozmiestnením, alebo umelým časovým oneskorením reproduktorov) 3. zmenšiť intenzitu niektorých odrazených signálov (umiestnením tlmiacich materiálov na rušivé steny) 4. znížiť hladinu doznievajúceho zvuku (tým, že hlavný tok zvukovej energie nasmerujeme na poslucháčov, ktorí ho zároveň účinne absorbujú) Pritom sa berú do úvahy nasledujúce javy: a) Maskovací jav: tóny, šumy a hluk zvyšujú hladinu počuteľnosti súčasne znejúcich slabších signálov a to predovšetkým vyšších frekvencií. Preto pre prijateľnú zrozumiteľnosť má byť odstup užitočného rečového signálu od hluku asi 20 db. Ak je hluk následkom dlhej doby dozvuku, zvyšovanie hladiny hlasitosti nepomáha a je potrebné použiť smerové žiariče. b) Maskovanie predchádzajúcim zvukom - Haasov jav, alebo tzv. Jav priority. Hovorí, že zvuková vlna, ktorá dorazí do sluchového orgánu prvá, prevažuje pri určovaní smeru. Haas zistil, že ak prichádza odraz k poslucháčovi s oneskorením do 30 ms, poslucháč smer odrazu nevníma. Smer zdroja určuje podľa informácie, ktorá prišla v podobe prvej zvukovej vlny. To platí i vtedy, ak hladina intenzity odrazu je o 7, až 10 db vyššia 30

31 než hladina priameho zvuku. Využitie tohto javu je všade tam, kde je dôležité, aby si poslucháči zachovali vnem smeru primárneho zvuku. Pre hudbu je optimálna doba dozvuku dlhšia ako pre reč. Spoluhlásky vyskytujúce sa v reči majú totiž trvanie asi od 2 do 40 ms a samohlásky od 50 do 300ms, zatiaľ čo nábehové časy klasických hudobných nástrojov ako netlmených rezonátorov sú podstatne dlhšie (napríklad flauta cez 200 ms). Pochopenie vlastností vyššie uvedených javov je predpokladom k optimalizácii kvality reprodukovaného signálu v celom reprodukčnom priestore. Niekedy sa však požaduje zvýšiť umeleckú hodnotu prejavu pridávaním umelej dozvukovej zložky do reprodukovaného signálu. Týmto požiadavkám môžeme vyhovieť zväčšením doby dozvuku priestoru dozvukovou doskou, alebo elektronicky. Kvalitné mixážne zariadenia túto možnosť štandardne ponúkajú. Vhodný výber, umiestnenie a nasmerovanie reproduktorov má základný vplyv na ozvučenie. Ak má miestnosť optimálnu dobu dozvuku, je možné ozvučiť ju s jediným žiaričom s guľovou smerovou charakteristikou. Ak je však doba dozvuku väčšia než optimálna, je potrebné zvoliť smerové žiariče, najčastejšie reproduktorové stĺpy. Pri centrálnom ozvučovacom systéme nesmú byť žiadne dva žiariče od seba vzdialené viac než 17 metrov. Pri ozvučovaní väčších plôch sa volia opäť reproduktorové stĺpy. Ak je priestor väčší ako je dosah žiaričov, volí sa decentralizovaný systém. Priestor sa rozdelí na oblasti a každej oblasti sa priradí žiarič tak, aby bol ozvučený rovnomerne a aby nedochádzalo k rušivému zmiešaniu so signálmi z ostatných oblastí. K tomuto sa opäť využívajú smerové vlastnosti žiaričov. Pri ozvučovaní veľkých, otvorených priestorov, kde je smerom od zdroja k divákovi vzájomná vzdialenosť reproduktorov väčšia ako 17 metrov, sa používajú oneskorovacie linky. Tieto časovo oneskoria reproduktory, ktoré sú od zdroja viacej vzdialené, aby vyžiarili signál v momente, v ktorom príde zvuková vlna z reproduktorov, ktoré sú ku zdroju bližšie. Pritom pre čas oneskorenia t platí: ;, (3.6) Ak sú napríklad reproduktory od seba vzdialené 17m, budú oneskorené o, 0,04909, teda približne o 50ms. 31

32 3. 3 MIKROFÓNY Mikrofóny ako prvky slúžiace na snímanie primárneho akustického signálu ovplyvňujú svojimi vlastnosťami kvalitu prenášaného či zaznamenávaného akustického signálu. Preto im musí byť venovaná výnimočná pozornosť, pretože nesprávne zosnímaný signál už nie je možné opraviť a úpravy signálu majú slúžiť už iba k dosiahnutiu určitého estetického účinku alebo k dosiahnutiu režijného zámeru. Znalosť ich vlastností spolu so správnou aplikáciou sú prvou podmienkou úspechu. Mikrofón ako elektroakustický prevodník mení akustickú energiu, ktorá naň dopadá, na energiu elektrickú. Tým sníma akustický signál z akustického poľa, ktoré ho obklopuje a mení ho na zodpovedajúci elektrický signál. Ide teda o akustický prijímač Parametre mikrofónov Pre popis vlastností mikrofónov, bolo potrebné zadefinovať základné pojmy. Takto sú definované v norme mikrofónov STN EN ( ): Akustická os mikrofónu je pri rotačne symetrických mikrofónoch obvykle totožná s ich geometrickou osou. U ostatných mikrofónov je určená výrobcom, a to spravidla v smere maximálnej citlivosti. Referenčný bod mikrofónu je priesečník osi mikrofónu s plochou jeho akustického vstupu. Pri mikrofónoch s väčším počtom vstupov sa uvažuje hlavný vstup, ktorý v prípade, že by mohli vzniknúť pochybnosti, býva označený výrobcom. Vnútorná elektrická impedancia mikrofónu je elektrická impedancia, meraná na výstupných svorkách mikrofónu, umiestneného vo voľnom akustickom poli. Kapacita mikrofónu je vnútorná kapacita elektrostatického alebo piezoelektrického mikrofónu meraná priamo na jeho výstupných svorkách, ak je mikrofón umiestnený vo voľnom priestore. Menovitá zaťažovacia impedancia je hodnota zaťažovacej impedancie, stanovená výrobcom, volená tak, aby prenosové vlastnosti mikrofónu boli optimálne. 32

33 Frekvenčná charakteristika je frekvenčná závislosť výstupného napätia mikrofónu, prípadne jeho hladiny, pri konštantnom budiacom akustickom tlaku, znázornená obvykle graficky. Budiacim akustickým tlakom sa pri umiestnení mikrofónu vo voľnom akustickom poli rozumie akustický tlak v mieste, v ktorom pri meraní bude umiestnený referenčný bod mikrofónu. Pokiaľ nie je uvedené inak, rozumie sa, že je mikrofón umiestnený v rovinnom akustickom poli. Obr. 3.4 Frekvenčná charakteristika mikrofónu Sennheiser e 865 Nerovnomernosť frekvenčnej charakteristiky je rozdiel citlivosti v decibeloch medzi najväčšou a najmenšou hodnotou v uvažovanom frekvenčnom rozsahu. Citlivosť mikrofónu η je pomer výstupného napätia mikrofónu k akustickému tlaku, ktorý toto napätie vybudil. Udáva sa obvykle v [V/Pa; (mvpa)] η = [VPa -1 ; V, Pa] (3.7) Je možné ju udávať aj ako pomerovú hodnotu vyjadrenú v db, vzťahom k frekvenčnej citlivosti η 0 = 1V/Pa. Potom platí 20 / [db; V Pa -1, V Pa -1 ] (3.8) alebo [db; mv Pa -1 ] (3.9) Citlivosť mikrofónu vo voľnom akustickom poli je citlivosť vo vzťahu k akustickému tlaku nerušeného akustického poľa v mieste hlavného vstupu mikrofónu (rozumie sa hodnota akustického tlaku, aká by bola v mieste vstupu mikrofónu, keby tento mikrofón bol z akustického poľa odstránený), pre daný smer šírenia akustických vĺn. 33

34 Tlaková citlivosť mikrofónu (η p ) je citlivosť vzhľadom k hodnote skutočného akustického tlaku na hlavnom vstupe mikrofónu. Citlivosť mikrofónu v difúznom poli (η dif ) je hodnota citlivosti pri ozvučení mikrofónu ideálnym difúznym poľom. Citlivosť mikrofónu pre hovorenie zblízka je citlivosť mikrofónu ozvučeného umelými ústami vo výrobcom predpísanej vzdialenosti od ich ústia. Medzný akustický tlak je najväčší akustický tlak, pri ktorom skreslenie výstupného signálu mikrofónu neprekročí danú hodnotu. Smerová charakteristika je závislosť citlivosti mikrofónu na uhle, ktorý zviera akustická os mikrofónu so smerom šírenia postupujúcich akustických vĺn. Udáva sa obvykle pri ozvučení mikrofónu rovinnou akustickou vlnou. Činiteľ smerovosti Q f je pomer štvorca výstupného napätia daného mikrofónu, ak dopadá na jeho vstup akustická vlna (obvykle rovinná) postupujúca v smere jeho osi, ku štvorcu výstupného napätia pri rovnakom akustickom tlaku, ak je mikrofón umiestnený v difúznom akustickom poli. Index smerovosti I Q je hodnota činiteľa smerovosti, vyjadrená v db (index smerovosti býva označený tiež G). I Q = lo log Q f [db] (3.10) Predo zadný pomer" citlivosti kardioidného mikrofónu (pri otočení o 180 ) je pomer výstupného napätia mikrofónu ozvučeného spredu akustickou vlnou postupujúcou v smere jeho osi a výstupného napätia pri ozvučení toho istého mikrofónu, ak naň dopadá akustická vlna, zvierajúca s osou uhol 180, vyjadrený v db. Udáva sa obvykle pre rovinnú akustickú vlnu, a to pre sínusový signál alebo úzkopásmový šumový signál. Ekvivalentná hladina šumu h š je hladina akustického tlaku akustickej vlny (obvykle rovinnej) postupujúcej v smere osi mikrofónu, ktorá vybudí na výstupe mikrofónu s (frekvenčne) strednou citlivosťou η s rovnaké efektívne výstupné napätie U Š, aké vznikne na výstupných svorkách toho istého mikrofónu, ak je uzatvorený v dokonale tichom priestore bez dozvuku. Obvykle sa vychádza z hodnoty šumového napätia váženého filtrom, s prenosovou charakteristikou zodpovedajúcou váhovej krivke A podľa normy. Na základe tejto definície platí pre ekvivalentnú hladinu šumu vzťah (p 0 = Pa) Š 20 Š 20 log Š 94 [db; Pa, Pa; V, V Pa -1 ] (3.11) 34

35 Ekvivalentná hladina rušivého signálu, spôsobená striedavým magnetickým poľom (h mag ) je hladina akustického tlaku rovinnej akustickej vlny, postupujúcej v smere osi mikrofónu o citlivosti η 0 a vytvárajúcej na výstupe toho istého mikrofónu výstupné napätie U mag, ktoré vznikne na výstupných svorkách mikrofónu, ak je umiestnený v homogénnom striedavom magnetickom poli o intenzite 4 A/m a orientovanom tak, aby výstupné napätie U mag bolo maximálne. Toto výstupné napätie je pri meraní vážené filtrom s frekvenčným priebehom, ktorý zodpovedá váhovej krivke A podľa normy. Pre ekvivalentnú hladinu rušivého signálu platí vzťah Š [db; V, V Pa -1, Pa; V, V, Pa -1 ] (3.12) kde je stredná citlivosť mikrofónu a p o = Pa Rozdelenie mikrofónov Mikrofóny možno rozdeliť podľa použitých elektromechanických prevodníkov, podľa druhov akustických prijímačov a podľa smerových charakteristík. Ďalej podľa toho, či ide o jednotlivé mikrofóny alebo ich sústavy. Rozdelenie mikrofónov podľa uvedených zásad je zrejmé z tab Na základné akustické vlastnosti mikrofónu, teda jeho smerovú charakteristiku v rovinnom i guľovom akustickom poli, má rozhodujúci vplyv druh prijímača. Zmienené vlastnosti nezávisia na použitom elektromechanickom prevodníku. Vedľa už uvedeného rozdelenia je účelné mať na zreteli rozdelenie mikrofónov na membránové a bezmembránové. Pri membránových mikrofónoch pôsobí akustické pole na pomocnú membránu, ktorej pohyb sa prenáša na elektromechanický prevodník. Pri mikrofónoch bezmembránových pôsobí akustické pole priamo na činnú časť elektromechanického prevodníka. Typickým predstaviteľom membránových mikrofónov je elektrodynamický cievkový mikrofón, predstaviteľom bezmembránových je zas elektrodynamický, páskový mikrofón. Gradientné mikrofóny sú charakterizované tým, že ich výstupné napätie je úmerné n-tej derivácii akustického tlaku p podľa súradnice uvažovanej v smere šírenia akustickej vlny. Platí teda ~ ; (3.13) 35

36 Spoločnou vlastnosťou všetkých gradientných mikrofónov je, že ich rozmery sú menšie než dĺžka vlny prijímaného signálu. Pokiaľ je táto podmienka splnená, sú ich smerové vlastnosti nezávislé na frekvencii. Mnohé z bežných mikrofónov pracujú v oblasti nízkych kmitočtov ako akustické prijímače gradientné (vlastnosť ľudského ucha), v oblasti vysokých kmitočtov, kedy sú ich rozmery porovnateľné s dĺžkou akustickej vlny, ako mikrofóny vlnové. Tab. 3.1 Rozdelenie mikrofónov Výstupné napätie tlakových mikrofónov je úmerné nultej derivácii akustického tlaku podľa súradnice v smere šírenia akustickej vlny, teda priamo akustickému tlaku. Preto majú guľovú smerovú charakteristiku, ktorej zodpovedá činiteľ smerovosti Q = 1, čo znamená, že citlivosť mikrofónu je rovnaká ako v rovinnej vlne, tak v difúznom akustickom poli. Okrem toho je citlivosť mikrofónu a jeho smerová charakteristika nezávislá na tvare akustického poľa, teda tiež na vzdialenosti od zdroja zvuku. 36

37 Gradientný mikrofón nultého rádu má popísané vlastnosti, pokiaľ je jeho rozmer menší než dĺžka vlny prijímaného signálu. Pokiaľ táto podmienka nie je splnená a dĺžka vlny je porovnateľná s obvodom vstupnej časti mikrofónu, prípadne je menšia, nastáva deformácia akustického poľa v okolí mikrofónu, ktorá vedie k zvýšeniu akustického tlaku na jeho vstupe a k deformácii pôvodnej guľovej charakteristiky a k zvýšeniu jeho činiteľa smerovosti. Pri ozvučení mikrofónu zo strany (α = 90 ) toto zvýšenie akustického tlaku pri niektorých tvaroch mikrofónu nevznikne. Praktický dôsledok tohto javu je ten, že ak má tlakový mikrofón pri ozvučení spredu v smere osi frekvenčne nezávislý priebeh citlivosti, pri ozvučení zo strany, pod uhlom 90, nutne nastáva značný pokles signálu v oblasti vysokých frekvencií. Vhodnou voľbou vstupnej časti mikrofónu je možné dosiahnuť, aby sa smerová charakteristika i v oblasti vysokých frekvencií blížila ku guľovej. Ďalšou významnou vlastnosťou tlakových mikrofónov je ich pomerne malá citlivosť na vplyv prúdiaceho vzduchu, ktorú je ešte možné ďalej znížiť použitím vhodne tvarovaných krytov, zhotovených z priedušného mäkkého penového materiálu, napr. polyuretanu. Správne navrhnutý kryt ovplyvní prenosové vlastnosti mikrofónu iba minimálne, pričom veľmi podstatne zmenší hluk, ktorý vzniká ak vzduch prúdi malými rýchlosťami okolo mikrofónu. Pretože pri tlakovom mikrofóne, hlavne elektrostatickom, je možné jednoduchým postupom stanoviť s veľkou presnosťou jeho absolútnu citlivosť a frekvenčný priebeh, používa sa tento typ mikrofónov pre meranie akustického tlaku. Ich aplikácia má pre meraciu techniku v odbore akustiky a elektroakustiky základný význam. Na membránu tlakového mikrofónu pri jeho umiestení v akustickom poli pôsobí sila F daná súčinom akustického tlaku p na membráne a plochy membrány S F = ps [N;Pa, m 2 ] (3.14) Akustické obvody mikrofónu je nutné voliť tak, aby pre daný akustický tlak bola pri mikrofónoch s rýchlostným elektromechanickým prevodníkom (elektrodynamickým alebo elektromagnetickým) rýchlosť aktívnej časti ich elektromechanického prevodníka (cievky, vodiča umiestneného v magnetickom 37

38 poli, kotvy elektromagnetického prevodníka atď.) úmerná akustickému tlaku v zvolenom mieste akustického poľa. Pri mikrofónoch s výchylkovým prevodníkom (elektrostatickým, piezoelektrickým, polovodičovým) musí byť úmerná tomuto akustickému tlaku výchylka ich aktívnej časti. Pritom, vzhľadom k aplikovaným pomocným akustickým obvodom a vplyvu deformácie akustického poľa telesom mikrofónu, sa nemusí zhodovať hodnota akustického tlaku v mieste vstupu mikrofónu s akustickým tlakom pôsobiacim na membránu Konštrukcia tlakových mikrofónov Uhlíkový mikrofón bol prvým prakticky použiteľným mikrofónom, využíval sa v rokoch 20. storočia, v telefónoch až do 80. rokov 20. storočia. Jeho princíp spočíval v membráne, ktorá stláčala uhlíkové zrnká, čím menila ich odpor. Mikrofón umožňoval priamo modulovať prechádzajúci signál, čo sa využívalo na počiatku 20. storočia, keď ešte neboli k dispozícii zosilňovacie prvky. V začiatkoch rozhlasového vysielania uhlíkovými mikrofónmi priamo prechádzal signál vysielača s vysokým výkonom. Preto vyžadovali chladenie. Uhlíkové mikrofóny majú úzky frekvenčný rozsah, obvykle od 250 do Hz. Pri nežiaducom pohybe vydávajú intenzívne rušivé zvuky, a preto boli umiestňované do ťažkých puzdier upevnených do sústavy pružín. Používali sa aj v telefónnych slúchadlách spolu s uhlíkovými reproduktormi. V súčasnej dobe sa používajú tlakové mikrofóny elektrodynamické, elektrostatické, piezoelektrické a čiastočne elektromagnetické a polovodičové. Mikrofóny elektrodynamické a elektrostatické sú použiteľné aj pre vysoko kvalitný prenos akustického signálu a uplatňujú sa aj mikrofóny piezoelektrické a elektromagnetické. Elektrodynamický tlakový mikrofón je realizovaný ako cievkový, u ktorého je kmitajúca cievka elektrodynamického prevodníka pevne spojená s membránou, alebo ako páskový (bezmembránové prevedenie), u ktorého má vodič, na ktorý pôsobí akustický tlak, tvar priečne zvlneného asi 1,5 až 2 µm hrubého hliníkového pásika. Páskové mikrofóny sú citlivé na otrasy. 38

39 Vlastnosti membrány sa definujú analogickými obvodmi, ktoré sa skladajú z akustického odporu r poddajnosti c 2 a priestoru pod odporom r. Frekvenčný priebeh mikrofónu je daný výrazom ;,,,,,,, ;, (3.15) kde Bl je súčin dĺžky vodiča cievky a magnetickej indukcie vo vzduchovej medzere, ktorú vodič pretína, m m akustická hmota membrány vrátane cievky, c m a c 2 akustická poddajnosť membrány a objemu pod membránou a r hodnota akustického odporu, umiestneného tesne za ňou. V oblasti kmitočtov, pri ktorých v menovateli vzťahu pre výstupné napätie mikrofónu prevažuje odpor r, je frekvenčný priebeh mikrofónu na frekvencii nezávislý. Medzné frekvencie sú ;, (3.16) ;,. (3.17) Obr. 3.5 Konštrukcia elektrodynamického mikrofónu Pre rezonančnú frekvenciu membrány platí ;, (3.18) Citlivosť mikrofónu η vo frekvenčne nezávislej časti prenášaného pásma je ; ;,,, (3.19) kde r je akustický odpor zaťažujúci membránu a S ekvivalentná plocha membrány. 39

40 4 ZÁZNAM ZVUKU 4.1 HISTÓRIA Históriu zaznamenávania zvukových signálov začal písať mechanický záznam. Išlo o zariadenia, ktoré boli schopné zaznamenať zvuk na viditeľné médium. Prvý vynález, fonoautograf, bol patentovaný 25. marca Bol to lievik pripevnený na membránu, ktorá bola spojená s ihlou. Tá zapisovala na začiernené sklo. Tento vynález bol určený na analýzu zvuku a reči, nebol schopný zvuk po zaznamenaní prehrať. Možnosti mechanického záznamu odkryl až jeho nasledovník fonograf. Ten ukázal, že priebeh záznamu je nahrávka, ktorú je možné opätovne prehrať. Fonograf zapisoval na valec, potiahnutý staniolovou fóliou. Neskôr sa médiom stal odolnejší voskový valec. Táto verzia bola patentovaná v roku 1886 pod názvom grafofón. Po Prvej svetovej vojne ho nahradil gramofón. Ten zohral v dejinách zaznamenávania zvuku veľkú úlohu. Najmä pre jednoduchý rozmnožovací proces médií. Aj keď sa doposiaľ neprestal používať, nahradil ho záznam magnetický. Ten sa stal schopným konkurovať po zavedení predmagnetizácie vysokofrekvenčným signálom, ktorý sa zmiešaval so zaznamenávaným signálom. To prinieslo zväčšenie odstupu rušivých napätí od užitočných a zmenšenie nelineárneho skreslenia, spôsobené nelineárnou charakteristikou závislosti magnetickej indukcie od magnetickej intenzity. Všetky druhy záznamu, končiac touto etapou boli analógové. Na rad prišiel záznam digitálny, ktorý ponúka ešte väčšiu variabilitu a rentabilnosť. Dodnes sa však neprestal používať analógový záznam, či už v podobe magnetickej, ba dokonca mechanickej na gramofónových nosičoch. 4.2 ANALÓGOVÝ ZÁZNAM Gramofónový záznam Gramofónový záznam zachováva nahratý zvukový signál ako mechanické zmeny v tvare drážky na nosiči, gramofónovej doske. Mechanický zápis sa 40

41 vytvára vyrývaním drážky do záznamového materiálu hrotom upevneným v hlave, čo je elektromechanický menič, ktorý pohybuje hrotom úmerne k okamžitej hodnote privádzaného signálu. Záznamovým materiálom je kruhová duralová doska (fólia), na ktorej je z oboch strán nanesená vrstva zvláštneho laku, do ktorej sa vyrýva špirálová drážka od kraja smerom k stredu. Pre záznamovú drážku je určený tzv. profil drážky. Pre stereofónny a štvorkanálový záznam sa volí väčšia hĺbka drážky, avšak tvar hrotu zostáva rovnaký. Počas historického vývoja gramofónového záznamu boli rôznymi firmami používané rôzne nahrávacie charakteristiky. Až neskôr sa nahrávacie charakteristiky zjednocujú podľa doporučení medzinárodnej normalizačnej komisie IEC, ktorá odporučila jednotnú nahrávaciu charakteristiku. Pri reprodukcii je potrebné zosnímaný signál korigovať podľa druhu prenosky zrkadlovým obrazom nahrávacej charakteristiky, podľa tzv. reprodukčnej charakteristiky. Obr. 4.1 Reprodukčná charakteristika Pri zázname signálu s konštantnou hlasitosťou (amplitúdou) je záznamová výchylka priamo úmerná tejto hlasitosti. Na prvý pohľad je teda najjednoduchšie zaznamenávať rôzne frekvencie so stálou záznamovou výchylkou. Záznamová rýchlosť by sa však zväčšovala dvakrát s prírastkom frekvencie na každú oktávu. 41

42 Záznamová rýchlosť by veľmi rýchlo dosiahla hodnoty, ktoré by nedovoľovali spoľahlivo viesť snímací hrot prenosiek v drážke. Ani voľba stálej záznamovej rýchlosti nie je možná, pretože potom by bol pomer medzi najmenšou a najväčšou záznamovou výchylkou väčší než 400 a to by vyžadovalo neprijateľne veľkú drážkovú vzdialenosť, ktorá obmedzuje maximálnu dobu záznamu na doske Výroba gramofónových dosiek Gramofónové dosky sa vyrábajú lisovaním plastickej hmoty, prevažne z polyvinylchloridu. K príprave lisovacích nástrojov je potrebné galvanicky získať plastické kópie pôvodného záznamu na fólii. Na povrch fólie sa najprv nanesie jemná elektricky vodivá vrstva, ktorá sa získa chemickou redukciou striebra z roztoku dusičnanu strieborného. Postriebrená fólia sa zavesí na záporný pól a ponorí do galvanického, plastického roztoku, v ktorom vznikne kópia, ktorej sa hovorí originál. Pri oddeľovaní originálu od fólie sa oddelí i strieborná vrstvička z fólie a zostane na origináli. Originál má drážky vystupujúce nad rovinu povrchu a mohol by byť použitý ako lisovací nástroj. Z neho sa však galvanicky vyhotoví ďalšia plastická kópia, ktorej sa hovorí matka a z nej potom kópia zvaná matrica, ktorá má opäť drážky vystupujúce nad povrch. A až táto matrica sa po opracovaní upína do čeľustí lisu ako lisovací nástroj. Lisovanie sa deje pri zvýšenej teplote tak, že sa do čeľustí lisu privádza horúca para. Po vyplnení formy zmäknutou plastickou hmotou sa čeľuste lisu ochladia studenou vodou, výlisok stuhne a môže byť vybratý z lisu. Tento jednoduchý rozmnožovací proces je hlavnou prednosťou mechanického záznamu pred záznamom magnetofónovým. Ani možnosť rýchlo nájsť určité miesto záznamu nebola v minulosti zanedbateľná Magnetický záznam Základným princípom magnetického záznamu je striedavé magnetizovanie nosiča záznamu, magnetickej pásky, magnetickou hlavou. Magnetická páska je vytvorená z magneticky neaktívneho, dostatočne mechanicky odolného plastu, na ktorého povrchu je nanesená aktívna vrstva z magneticky tvrdých feritov s veľkou remanenciou Br. Páska je ťahaná pohonným zariadením konštantnou 42

43 rýchlosťou (38,1; 19,05; 9,55; 4,75 alebo 2,4 cm/s) okolo štrbiny záznamovej hlavy. Záznamová rýchlosť ovplyvňuje tvar záznamovej charakteristiky. Obr. 4.2 Záznamová charakteristika Obr. 4.3 Záznamová hlava magnetofónu Hlava je tvorená magnetickým obvodom zloženým z tenkých plechov s veľkou permeabilitou a malými vysokofrekvenčnými stratami, pretože je vyrobená zo špeciálnych feritov. Jadro hlavy je prerušené štrbinou šírky asi 0,5 mm. Na jadre je navinutá cievka, ktorou prechádza záznamový prúd, úmerný okamžitej hodnote zvukového signálu. Vznikajúce magnetické pole vystupuje v oblasti štrbiny, ktorá je vyplnená materiálom s veľmi malou permeabilitou, väčšinou fóliou z bronzu a magnetizuje aktívnu vrstvu pásky, v ktorej ostáva remanentná indukcia, úmerná smeru a intenzite poľa nad štrbinou. Ak by dej prebiehal popísaným jednoduchým spôsobom, dochádzalo by pri zázname 43

44 k silnému nelineárnemu skresleniu vplyvom nelineárnej magnetizačnej krivky záznamového materiálu, pretože výstupné napätie je priamo úmerné magnetickej indukcii B, kým páska je magnetizovaná magnetickým poľom o intenzite H, ktorá je priamo úmerná záznamovému prúdu i. Obr. 4.4 Magnetický záznam bez predmagnetizácie (u je výstupné napätie, i je záznamový prúd) Aby bolo toto nelineárne skreslenie odstránené, posúva sa pracovný bod záznamového materiálu superpozíciou vysokofrekvenčného magnetického poľa, tzv. predmagnetizáciou, do lineárnej oblasti magnetizačnej krivky. Predmagnetizačný prúd s frekvenciou asi 50 až 100 khz sa pripočíta k prúdu záznamovému. Pre každý záznamový materiál musí mať vhodnú amplitúdu zodpovedajúcu priebehu jeho konkrétnej magnetizačnej krivky. Obr. 4.5 Magnetický záznam s vf predmagnetizáciou Pred zahájením nového záznamu, musí byť záznamový materiál odmagnetizovaný, a preto pri každom zázname prebieha i automaticky 44

45 odmagnetizovanie - vymazanie predošlého záznamu. Vysokofrekvenčný signál odoberaný z generátora predmagnetizačného prúdu je privádzaný do mazacej hlavy, umiestnenej pred záznamovou hlavou. Feritové mazacie hlavy majú dve štrbiny usporiadané tak, aby bola páska mazaná dvakrát po sebe, čo zaisťuje dokonalé zmazanie predchádzajúceho záznamu. Pohyb pásky nad štrbinou trvá určitú dobu, počas ktorej prebehne v sledovanej časti pásky niekoľko uzavretých magnetizačných cyklov. Prechodom sledovaného úseku pásky okolím štrbiny mazacej hlavy sa striedavé magnetické pole zoslabuje. Prebiehajúce magnetické cykly sa tým symetricky zmenšujú až na nulovú remanentnú indukciu. Nikdy nedochádza k ideálnemu zmazaniu záznamu. Udáva sa tzv. mazací útlm, čo je pomer amplitúdy signálu 1 khz pred a po vymazaní. Jeho hodnota sa pohybuje minimálne v rozmedzí db, kedy je záznam považovaný za zmazaný. Obr. 4.6 Odmagnetizovanie, mazanie magnetického záznamu Pri snímaní prebieha opačný dej. Zmagnetizovaná magnetická páska sa pohybuje pred štrbinou snímacej hlavy, ktorá je v podstate zhodná so záznamovou snímacou hlavou, ale má menšiu šírku štrbiny, aby bol jej magnetický odpor čo najmenší. V malých magnetofónoch sa obvykle používa namiesto jednej záznamovej hlavy a jednej reprodukčnej iba jedna univerzálna hlava. Magnetické pole vystupujúce z magnetickej pásky zasahuje do štrbiny a keďže sa jeho veľkosť a smer pohybom pásky stále mení, indukuje sa vo vinutí hlavy striedavé napätie. Po zosilnení a úprave v snímacom zosilňovači magnetofónu sa tento elektrický signál privádza do reproduktorov. 45

46 4.3 DIGITÁLNY ZÁZNAM Digitálny (diskrétny) záznam odstraňuje spoločný problém všetkých druhov analógového záznamu, šum, ktorý vznikal pri prehrávaní ako dôsledok materiálového opotrebovania média. Vďaka tomu, že pri čítaní digitálneho záznamu nedochádza k mechanickému opotrebovaniu nosiča a je potrebné rozhodnúť len medzi dvoma stavmi 0, alebo 1, nahrávka zapísaná digitálne nestráca prehrávaním na kvalite. Existuje však aj nevýhoda oproti analógovému záznamu. Proces vzorkovania a kvantovania, ktorý signál rozdelí na časovej osi a priradí určitému napäťovému stavu signálu v čase jednoznačnú hodnotu, ho zároveň aproximuje, čím doňho vnáša určitú nepresnosť. Tá je daná bitovou hĺbkou kvantovania a frekvenciou vzorkovania Bitová hĺbka Bitová hĺbka určuje presnosť kvantovania počtom úrovní jednoznačnej hodnoty vzorky a teda platí: čím väčší počet úrovní, tým vyššia presnosť. Používa sa bitová hĺbka 8, 16, 24, alebo 32 bitov. Pričom napríklad 8 bitová hĺbka hovorí, že každá úroveň je zaznamenaná kombináciou ôsmich núl a jednotiek. V tomto prípade existuje 2 8 = 256 rôznych kombinácií núl a jednotiek, ktorými môžeme pomenovať 256 úrovní. 8 bitová hĺbka = 2 8 = 256 kombinácií 16 bitová hĺbka = 2 16 = kombinácií 24 bitová hĺbka = 2 24 = kombinácií 32 bitová hĺbka = 2 32 = kombinácií 46

47 Obr. 4.7 Rekonštrukcia digitálneho signálu Vzorkovacia frekvencia Vzorkovacia frekvencia vyjadruje počet vzoriek na jednotku času. Čím je väčšia vzorkovacia frekvencia (väčší počet vzoriek) tým je signál ovzorkovaný presnejšie a záznam je vernejší. Najpoužívanejšie frekvencie sú 41 a 48kHz, pre veľmi kvalitný záznam 96kHz. Vzorkovacia frekvencia 41kHz je rozlíšenie použité pri audio CD formáte. Je odvodená z frekvenčného spektra, ktoré rozoznáva ľudské ucho. 2 (4.1) kde f vz je vzorkovacia frekvencia, f H f D je horná medzná frekvencia ľudského ucha je dolná medzná frekvencia ľudského ucha Konverziu analógového signálu na signál digitálny v elektroakustickom reťazci vykonáva analógovo digitálny (A/D) prevodník. A/D prevodník sa nachádza v zvukovej karte, ktorá pri digitálnom zázname tvorí základnú časť záznamového elektroakustického reťazca. Najrozšírenejším spôsobom digitálneho záznamu v štúdiách je ukladanie informácií na pevný disk počítača. Iným variantom je zaznamenávať pomocou 47

48 zariadení, ktoré sú schopné digitalizovať zvukový signál a zapísať ho na pamäťové médium. Ich výhoda spočíva v minimálnych rozmeroch a teda sú veľmi vhodné pre mobilné použitie. 48

49 5 ZVUKOVÁ TVORBA Každé dielo sa stretáva s požiadavkami technického a umeleckého hľadiska. Hodnota výsledku je daná vyváženým splnením potrieb oboch hľadísk. Rovnako pri tvorbe zvuku si každý projekt vyžaduje inú technickú náročnosť a ponúka rôznu umeleckú hodnotu. Každý zvukový majster používa vlastnú kombináciu technických prvkov. Vytvára tak charakteristickú črtu, ktorá je spoločná pre jeho diela. 5.1 ZÁKLADNÉ HARDVÉROVÉ PRVKY Zvuková karta Hlavnou časťou zvukovej karty sú prevodníky. Analógovo digitálny prevodník premieňa analógový signál na digitálny. Všetky úpravy signálu v počítači po spracovaní prevodníkom sa uskutočňujú na digitálnej úrovni. Pri každom prehrávaní ho digitálne analógový prevodník premieňa späť na analógový signál. Najjednoduchšie zvukové karty sú dnes štandardnou súčasťou každého počítača. Okrem prehrávania zvuku ponúkajú možnosť vytvorenia amatérskych záznamov zvuku pre menej náročné aplikácie. Keďže kvalita záznamu, ktorú poskytujú karty inštalované v počítači štandardne nie je postačujúca pre profesionálne použitie, je nevyhnutné ju nahradiť výkonnou zvukovou kartou. Ponúkajú v prvom rade kvalitnejší záznam vďaka väčšiemu odstupu signálu od šumu, možnosti zvoliť väčšiu bitovú hĺbku a vyššiu vzorkovaciu frekvenciu pri zázname a tiež menšie vnútorné oneskorenie, tzv. latenciu. Zvukové karty môžeme rozdeliť na duplexné, alebo simplexné, podľa toho či sú schopné prehrávať aj zaznamenávať signál súčasne, ďalej podľa rozhrania, ktorým sa pripájajú k počítaču na: PCI USB (Fire Wire) 49

50 Zvukové karty s rozhraním PCI Sú postavené na plošnom spoji pre pripojenie cez PCI rozhranie na matičnej doske počítača. Vstupy a výstupy kvalitnejších zvukových kariet bývajú vyvedené krátkymi káblami, pretože by sa na zadný panel karty nezmestili, keďže sú zakončené štandardne používanými konektormi. Obr. 5.1 Vyšším stupňom sú karty, ktoré majú konektory prehľadne uložené v externom module spolu s ovládacími prvkami, či kontrolnými diódami. Externý modul sa dá položiť na stôl, alebo je prispôsobený na zabudovanie do stojanu. V technickom svete sa aj na Slovensku používa pre stojan, alebo regál, určený pre montáž rôznych súvisiacich komponentov, anglické pomenovanie rack. Zvukové karty s externým rozhraním Obr. 5.2 Jednoduchosť pripojenia vďaka rozhraniu USB, alebo IEEE 1394 (Fire Wire) a možnosť použitia s prenosným počítačom ich určuje hlavne na mobilné použitie. V posledných rokoch sa tešia vzrastajúcej obľube. Obr

51 5.1.2 Kontrolér Kontrolér je v podstate hudobnícke HID zariadenie, najčastejšie klaviatúra ktorá komunikuje s počítačom cez fyzické rozhranie MIDI, IEEE 1394, alebo USB. Prenášané dáta sú vždy v MIDI formáte. Slúži na pohodlné ovládanie virtuálnych nástrojov. Ako kontrolér je možné použiť klasický syntetizátor ak disponuje potrebným MIDI výstupom. Virtuálny nástroj býva realizovaný v podobe softvéru, ktorý sa inštaluje do počítača, alebo môže byť zhotovený ako samostatné zariadenie. Kontrolér na rozdiel od syntetizátora nie je bez pripojenia k virtuálnemu nástroju schopný vydať zvuk, pretože nedisponuje potrebnými bankami, ani žiadnym reprodukčným elektroakustickým vybavením. Obr ZÁKLADNÉ SOFTVÉROVÉ PRVKY Sekvencér Základným prvkom pri vytváraní aranžmánu je sekvencér. Ide o aplikáciu, vďaka ktorej možno vyhotoviť správnu kompozíciu. Je na výber niekoľko alternatív. Najjednoduchšie je začať s jednoduchým hudobným editorom akým je napríklad Cool Edit Pro. Vzhľadom na relatívne jednoduché a zrozumiteľné ovládanie sú vhodné najmä pre začiatočníkov. K zložitejším sekvencérom patria Cubase, ktorý ponúka spoločnosť Steinberg, Sonar od spoločnosti Cakewalk, či Pro Tools od firmy Digidesign. Všetky spomenuté programy tejto kategórie sú koncipované aj na prácu s externými zariadeniami, ako sú syntetizátory, syntetizéry, zvukové modulátory, sampléry či kontroléry. Pomocou sekvencéra sa dajú upravovať noty, vkladať, upravovať a aranžovať vzorky audio signálov, transponovať, alebo doplniť zvukový obraz rozličným efektom, nahrávať vzorky a opakovane ich prehrávať. Vzorka určená pre opakované prehrávanie sa volá slučka, z angl. loop. 51

52 Rozhranie VST umožňuje inštaláciu pluginov a komunikáciu sekvencera s virtuálnymi nástrojmi Plug-in Dôležitým detailom je možnosť doplniť knižnicu sekvencera o tzv. plug-iny. Ide o samostatné aplikácie, ktoré sa po inštalácii dajú použiť ako nástroje alebo efekty. Sekvencér ich načíta a stávajú sa súčasťou jeho menu. Na trhu sa ich nachádza mnoho a tvoria programové vybavenie štúdia, ktoré je z veľkej časti schopné zastúpiť hardvérové zariadenia. Plug-in teda umožňuje použiť syntetický hudobný nástroj, či rozšíriť efektové funkcie sekvencéra. V tejto podobe existujú softvérové prevedenia syntetizátorov napríklad firiem Korg, Big Fish, Roland, Yamaha, Native Instruments a ďalšie. Rôzne softvérové riešenia efektov ponúkajú napríklad spoločnosti Waves, Sonic, či Steinberg. Týmto spôsobom možno zostaviť virtuálnu zvukovú banku podľa potreby. Množstvo súčasne použiteľných pluginov v reálnom čase závisí od výkonu počítačovej zostavy. Sekvencér teda dokáže zvukové stopy zoradiť, jeho funkcie ich umožňujú ďalej rôzne upraviť a zmiešať Samplér Samplér je prvok, ktorý pracuje s knižnicou zvukových vzoriek. Reaguje na príkazy z kontroléra tak, že prehrá tón priradený zadanému príkazu. Ponúka sa tak možnosť hrať na akýkoľvek hudobný nástroj, ktorého zvuková banka sa nachádza v knižnici. Použité zvukové vzorky môžu byť umelé, alebo reálne. Reálne vzorky sa zaznamenávajú zosnímaním skutočných nástrojov. Nahráva sa každý tón nástroja pri najmenej troch úrovniach intenzity a v niekoľkých artikuláciáh, aby sa dosiahla vernosť. 52

53 5.3 EFEKTY Základné efekty sú dostupné ako súčasť každého sekvencéra, alebo zvukového editora. Slúžia na dosiahnutie režijného zámeru Echo Podľa antickej báje bola víla Echó odsúdená za svoj prehrešok na to, aby do konca života nepovedala jediné vlastné slovo. Mohla len opakovať koncové slabiky slov, ktoré vyriekli iní... Obr. 5.5 Jednoduchý spôsob, ako upraviť signál, je oneskoriť ho. Doba oneskorenia sa v efektoch označuje ako delay, alebo delay time (z angl. oneskorenie). Základný variant sa nachádza aj na lepšie vybavených mixážnych pultoch. Zvukár vďaka nemu môže oneskoriť signál o požadovanú hodnotu. Konkrétne využitie nájde v prípadoch, keď podmienky nedovoľujú rozmiestniť reproduktory symetricky od stredovej osi a jeden reproduktor je výrazne ďalej ako druhý. Zvuk zo vzdialenejšieho reproduktora prichádza neskôr, hoci len o krátky čas, no narúša sa tak celkový zvukový obraz. Vtedy sa signál bližšie položeného reproduktora oneskorí tak, aby prichádzal v rovnakej chvíli ako zo vzdialenejšieho reproduktora. Echo je jednoduchý spôsob opakovania pôvodného signálu s nastavenou hodnotou oneskorenia. K pôvodnému signálu sa pripočíta zopakovaný zvuk, čím sa predĺži. Echo zopakuje signál s dvojnásobným oneskorením, priráta ho a znovu oneskorí. Navyše, oneskorený signál môže mať nižšiu úroveň. Echo teda simuluje ozvenu. Tá vznikne, ak pozorovateľ stojí na voľnom priestranstve pred veľkou prekážkou, ktorá je vzdialená minimálne 17 metrov. 53

54 Zvuk, ktorý vydá, sa odrazí od prekážky a vráti sa späť posunutý 0,1 sekundy. Ľudskému uchu už prestávajú oba zvuky splývať a vníma ich oddelene. Táto situácia však predstavuje iba prvý odraz, teda zvuk prichádzajúci s určitým oneskorením. Na to aby vzniklo echo, je potrebné aby vniklo viac odrazených signálov. Ďalším parametrom nastavenia echo efektu je sila odrazeného signálu, ktorá sa označuje ako decay (z angl. doznievanie, útlm). Ak doznievanie nastavíme na hodnotu < 50 %, každý nasledujúci signál bude mať polovičnú silu predchádzajúceho signálu. Vhodným nastavením parametrov oneskorenia a doznievania sa dosiahne základný zvukový efekt. (Obr. 5.8) Obr. 5.6 Obr. 5.7 Obr. 5.8 Na obr. 5.8 sú zobrazené nastavenia jednoduchého echa. Pri tomto nastavení by bol zopakovaný signál menší vždy o polovicu a od predchádzajúceho signálu by bol vzdialený vždy o 1,2 sekundy. Pre nižšiu hodnotu prvého odrazeného signálu, pričom každý ďalší klesá plynule stále o polovicu, sa nastaví počiatočná hodnota hlasitosti ozveny, označená ako Initial 54