Vývoj technických prostředků pro záznam zvuku Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013 Vývoj technických prostředků pro záznam zvuku

Obsah Analogový záznam Digitální záznam Digitální audio systém (DAW) Trendy a budoucnost Pořízení zvukového záznamu Zvukové vlnění je vlastně sledem tlakových vln, které se šíří hmotným prostředím (nejčastěji vzduchem). V souvislosti s rozvojem zejména sdělovací techniky a kinematografie bylo nutné zaznamenávat zvuk tak, aby jej bylo možné později zase přehrát. Během doby se postupně objevily tři základní metody analogového záznamu zvuku: 1.     mechanický záznam zvuku - nejstarší způsob, který byl používán již od konce 19. století; 2.     optický záznam zvuku - byl zaveden v souvislosti s rozvojem zvukového filmu ve 20. letech 20. století; 3.     magnetický záznam zvuku - používá se od 30. let 20. století, postupně se stal dominantním způsobem záznamu zvuku a používá se dodnes i v profesionální praxi (rozhlas, televize, film, …). V průběhu dvacátého století byl také vyvinut digitální záznam zvuku a digitální záznam obrazu. Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Analogový záznam Mechanický Magnetický Optický Mechanický záznam se vyrývá do záznamové vrstvy jehlou, nebo vypaluje laserem. Magnetický záznam se ukládá pomocí hlav, které zmagnetizují úsek záznamového média. Optický záznam se vypaluje (a čte) laserem kvůli vysoké hustotě záznamu. Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Analogový záznam zvuku - mechanický Fonograf 1877 T.A. Edison trouba, vibrace, válec Gramofon 1888 Emile Berliner rezonátor, jehla, deska Prvním použitelným systémem pro záznam zvuku byl fonograf vynalezený a zhotovený v roce 1877 americkým vynálezcem Thomasem Alvou Edisonem (1847 - 1931). Zvuk byl zaznamenán mechanicky do drážky, kterou rylo záznamové zařízení do rotujícího válečku. Takto pořízený záznam bylo možné zpětně mechanicky reprodukovat na zvuk. Jednalo o hloubkový záznam zvuku (viz obr. 42), ve kterém hloubka drážky odpovídala okamžité hodnotě akustického tlaku zaznamenávané zvukové vlny. Přestože kvalita záznamu nebyla příliš dobrá, ve své době se tento způsob záznamu komerčně používal. Další způsob mechanického záznamu zvuku se používal u gramofonu. Jednalo se o stranový záznam zvuku (viz obr. 42), u kterého stranovávýchylka rycího zařízení byla úměrná okamžité hodnotě akustického tlaku zaznamenávané akustické vlny. Tento způsob záznamu zvuku byl dominantní pro gramofon během téměř celého 20. století. V první polovině 20. století se tento způsob záznamu používal i v profesionální praxi. S rozvojem stereofonie se pak začal používat i mechanický záznam stereofonní. Tento záznam byl stranově-hloubkový: na každé straně (stěně) drážky byl zaznamenán jeden kanál (levý nebo pravý). Monofonní gramofon snímal takový záznam tak, že snímal stranově součet obou kanálů, zatímco stereofonní gramofon snímal odděleně zvuk obou kanálů. Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Mechanický záznam zvuku Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Analogový záznam zvuku - magnetický Magnetofon 1930 Guglielmo Marconi cívkové, kazetové princip čtení a zápisu výhody x nevýhody Myšlenka magnetického záznamu zvuku se objevila ve 30. letech 20. století. Hlavní výhodou oproti mechanickému záznamu zvuku nebooptickému záznamu zvuku byla snadná možnost oprav záznamu jeho přemazáním. Mechanický záznam byl vyryt v podložce a optický záznam byl „nafocen“ na filmu, a proto nebylo možné tyto záznamy opravovat. Proto se začal také ve větší míře používat v rozhlasových studiích. První magnetické záznamy se pořizovaly na ocelové pásky, ale byly postupně nahrazeny pásky s feromagnetickou vrstvou z magneticky tvrdé látky. Dalším vylepšením byl objev vysokofrekvenční předmagnetizace. Tím se dále zvýšila kvalita záznamu a následné reprodukce zvukového signálu. Pro zařízení sloužící k záznamu a reprodukci magnetického záznamu zvuku se vžilo označení magnetofon. Magnetofon přitom původně byla chráněná obchodní značka firmy Telefunken. Ve druhé polovině 20. století se pak magnetický záznam zvuku začal využívat i v amatérské praxi, neboť umožňoval vícenásobné použití téhož nosiče. Postupně dosáhla kvalita amatérských i studiových magnetofonů takové úrovně, že ostatní druhy záznamu zvuku (mechanický záznam zvuku a optický záznam zvuku) magnetický záznam zvuku postupně vytlačil. Do dnešní doby má magnetický záznam zvuku dominantní postavení:analogový signál se pomocí něj zaznamenává téměř výhradně a magnetický záznam digitálního signálu je převažující nad ostatními technologiemi. Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Mikrofony uhlíkový, piezoelektrický, dynamický, kondenzátorový využití: rozpoznávání řeči, hlasové ovládání VoIP (Skype) PC hry záznam mluveného slova, zpěvu, hudebních nástrojů podcasting Mikrofon je zařízení pro přeměnu akustického (zvukového) signálu na signál elektrický. První mikrofon vynalezl tvůrce gramofonu Emile Berliner v r. 1877. Uhlíkový (nejstarší), piezoelektrický (bezmembránový) – využití pod vodou, dynamický (velmi rozšířený-živá vystoupení), kondenzátorový (patří mezi nejkvalitnější – profesionální využití v nahrávacích studiích) Rozpoznáváním řeči se rozumí automatický převod mluvené řeči do textu. V České republice patří do špičky v oboru Laboratoř počítačového zpracování řeči, která spadá pod Fakultu mechatroniky Technické univerzity v Liberci. Rozpoznávání řeči se dělí na dvě metody – rozpoznávání izolovaných slov a rozpoznávání spojité řeči. Tyto metody slouží například hendikepovaným osobám nebo pro přepis televizního a rozhlasového vysílání. VoIP (Voice Over Internet Protocol) – volání přes internet Podcasting: Jde o zvukové nebo video záznamy, které autor podcastu umísťuje na Internet v podobě souborů (často ve formátu MP3), na které odkazuje na webových stránkách, ale především v uzpůsobeném RSS feedu. http://www.computerhope.com/jargon/m/micrphon.htm [6] Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Princip dynamického mikrofonu Dynamický mikrofon využívá principu elektromagnetické indukce. Obsahují membránu, která je přichycena na pohyblivou cívkou. Cívka se nachází ve statickém magnetickém poli generovaném permanentním magnetem. Zvuková vlna rozpohybuje membránu a tím i pohyblivou cívku. Pohyb cívky v magnetickém poli indukuje napětí, které je úměrné dopadajícímu zvuku. Dynamické mikrofony nepotřebují napájení, jsou velmi odolné a spolehlivé. Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Analogový záznam zvuku - optický hustotní, plochový používán ve filmu stále jako záloha Hustotní: První záznam zvuku na filmovém pásu byl hustotní záznam zvuku. Hustota zčernání vyvolaného filmu byla přímo úměrná okamžité hodnotě akustického tlaku zvukového signálu, který doprovázel danou filmovou scénu. – značné zkreslení Optický záznam zvuku se objevil poprvé v kinematografii v počátcích rozvoje zvukového filmu. Původní němé filmy byly v sálech kin doprovázeny živou hudební produkcí (malý orchestr nebo jen klavír), která operativně reagovala na dění na plátně. Dialogy a další komentáře filmu byly ve filmu vloženy formou titulků. Později se objevily snahy živé reprodukce nahradit gramofonem. To se ale ukázalo jako velmi nešťastné, neboť hudba a obraz nebyly synchronizovány a kvalita reprodukce hudby byla špatná. Tento způsob hudebního doprovodu se tedy příliš neuplatnil. Proto začaly filmové společnosti hledat způsob, jak umístit zvukový záznam přijatelné kvality přímo na filmový pás. S tím ovšem vyvstal technický problém: pohyb filmu ve filmové kameře i v promítacím stroji je krokový (exponuje resp. zobrazuje se vždy jen jedno políčko filmu, který je v danou chvíli v klidu), zatímco zvuk je nutné přehrávat spojitě. Filmový pás tedy musí v kameře i v promítacím stroji projít tzv. uklidňovací smyčkou a až poté se zvuk zaznamenává resp. snímá. Proto je zvuk oproti obrazu na filmovém pásu posunut: zvuk předbíhá obraz o 21 políček. Optický záznam se provádí se vzorkovací frekvencí přibližně 10 kHz. Optický záznam zvuku je v současné době nahrazován digitálním záznamem (digitálním zvukem). Přesto ale je na filmovém pásu nepostradatelný, i když má již jen jistící funkci. Digitální zvuk je totiž umístěn na filmovém pásu tam, kde s ním dřívější kopírovací stroje a promítací stroje nepočítaly. Proto bývá často poškozen. Počítač sledující oba zvukové záznamy (optický záznam a digitální záznam) tyto záznamy stále porovnává a reprodukuje ten, který je kvalitnější. Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Digitální záznam Proces digitalizace Převod analogového signálu na digitální (10100…). Nejprve se signál rozdělní – navzorkuje Náslendě se signál rozdělní do kvantizačních hladin  zvuková technika využívá 16bitové kvantování, což znamená, že výsledný digitální signál bude obsahovat 2 na 16 hodnot. Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Digitální záznam 44,1 kHz; 48 kHz; 88,2 kHz; 96 kHz a 192 kHz 6dB na jeden další bit při vzorkování (16 bit = 96dB) V praxi se pracuje s min 24 bit, běžně 32bit, 64 bit až dokonce 128 bit při zpracování signálu Jako základní pravidlo ale platí, že frekvence vzorkování (počet vzorků za jednu sekundu) musí být minimálně dvojnásobná, než je nejvyšší zpracovávaná frekvence audiosignálu. Stejně důležitým parametrem je počet kroků, kterými je velikost vzorku odměřována, což závisí především na tom, kolik bitů má analogově digitální převodník. Při nízkých hodnotách dochází k takzvanému kvantizačnímu zkreslení, projevující se v praxi jako určitý šum. Viz mobil 8 bitů – CD – 16 bitů. Každý další bit použitý při vzorkování přináší maximálně 6 dB navíc. Ikdyž je výsledné médium 16 bit je běžné při zpracování používat vyšší rzolišení – dochází při jednotlivých procesech vlivem zaokrouhlení k bitovým redukcím. Obecně tedy čím vyšší je frekvence, tím lepší je frekvenční rozsah přístroje a čím vyšší počet bitů má převodník, tím lepší je odstup užitečného signálu od šumu. Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Interní zvukové karty s převodníky AD/DA Obecně se liší vstupy, výstupy, rozlišením, atd.. Převod z analogového prostředí do PC Šumy, brumy, sršení z dalších obvodů uvnitř PC Latence ASIO – (Audio Stream Input/Output) Nejčastějším řešením je karta zapojená do slotu PCI uvnitř počítače. Umíštění této karty uvnitř pc se sebou nese však nežádoucí vlivy na zvuk – šumy, brumy, sršení, které se na systém přenášejí z dalších obvodů uvnitř počítače. Latence je krátké časové zpoždění, které vzniká při konverzi analogového signálu do digitálního prostředí a naopak. Převodník sám o sobě vyžaduje krátký čas, ale k převodu dochází v několika vrstvách softwaru, může se toto zpoždění kumulovat. Problémy ve windows – příklad: 34cm od mikrovonu odpovídá 1ms, 2m od repráku – 6ms, Firma steinberg vyvynula ASIO, jehož úlohou je zajistit nízkou latenci rozhraní mezi softwarovou aplikací a zvukovou kartou. – obchází vrstvy operačního systému Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Externí převodníky AD/DA Umístění v racku Připojení k PC FireWire, USB, ADAT,… Propojení s analogovým mixážním pultem Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Externí převodníky AD/DA Digitální audiosystém Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Digital Audio Workstation - DAW (Digitální audiosystém) DAW je určen pro záznam a editaci digitálního audiosignál – kombinace softwaru a hardwarového vybavení, jehož základem je série velmi kvalitních převodníků A/D a D/A. U takových to systémů se používají v podstatě běžné zvukové karty, které můžeme najít v počítačích, ale montují se většinou do racků, aby bylo možné dodržet špičkovém parametry. Ale v podstatě PC, vybavený zvukovou kratrou a Softwarem pro úpravu zvuku je také audiosystém… Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Audioprocesory Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013 Signálové – signál projde dynamickou, korekční či jinou úpravou. Efektové – přidání či smíchání signálu pomocí časových obvodů. Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Audioprocesory Signálový procesor Compressor/Limiter Overdrive/Crunch Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Audioprocesory Efektový procesor Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Audioprocesory Efektový procesor multiefekt Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Komerčně rozšířené aplikace PC Adobe Audition FL Studio Pro Mac i PC Digidesign Pro Tools HD (nejrozšířenější na světě) Steinberg Cubase Ardour (OS X/Linux/Windows) Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Komerčně rozšířené aplikace Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Nahrávací řetězec Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Nosiče digitálního signálu Music Disc (1995) 44,1 kHz – 16 bitů Super Audio CD (1999) 2.8224MHz - 20-21bit DVD – Audio (2000) až 192kHz – 24 bit Blue – ray Podobné jako DVD – více místa (Albové kolekce ve formátu 192 kHz/24 bit, hmm… ) Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Není nad klasiku Vinyl Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013

Otázky? Děkujeme za pozornost ! Jan Vlačiha & Miloš Nožička, 26.11.2013