Vlastnosti zvuku a zvukových záznamů Jaromír Horčička, Jakub Kučmaš

Obsah Definice zvuku, zdroje šíření Tón, hluk, vlastnosti zvuku Dopplerův jev a rázová vlna Dělení zvukových formátů Bezztrátová komprese Ztrátová komprese MIDI

Definice zvuku a základní pojmy Zvuk = mechanické vlnění v látkovém prostředí, vyvolávající zvukový vjem Slyšitelnost obvykle v rozsahu 16 Hz až 20 000Hz < 16 Hz = infrazvuk > 20 kHz = ultrazvuk Akustika = děje spojené s vznikem a šířením zvuku Základní rozdělení zvuku Zvuky nehudební = hluk zvuky hudební = tóny

Zdroj zvuku a šíření Zdroj zvuku = zdroj zvukového vlnění Pro šíření nutné hmotné prostředí Vakuum je dokonalou zvukovou izolací Každé chvějící se těleso zdrojem zvuku Zdroj nemusí být těleso kmitající vlastními kmity, ale může být kmitající kmity vynucenými Zařízení pro generování nebo reprodukci zvuku Rychlost zvuku Ve vzduchu za standardních podmínek 331,82 m/s V mořské vodě 1 500 m/s V oceli 5 000-6 000 m/s

Co slyšíte: 20 Hz – 20 kHz http://www.youtube.com/watch?v=qNf9nzvnd1k&feature=c4-overview&list=UUc6XhPJQy-olOGzMR05vyzQ

Tón Tón Hudební zvuk Vznik při pravidelném (periodickém) kmitání Při poslechu vzniká v uchu vjem výšky – využití v hudbě má svou výšku, barvu, intenzitu (hlasitost) Základní tón je zvuk, jehož zvukovou intenzitu lze v závislosti na čase popsat sinusoidou Složený tón (nebo jen tón) lineární kombinací základních tónů

Hluk Hluk Nehudební zvuk Nepravidelné vlnění vznikající jako složitější nepravidelné kmitání těles nebo krátké nepravidelné rozruchy Také využívány v hudbě – např. bicí Více než 75 dB škodí Hluk nad 100 dB vnímán jako bolest Nad 140 dB dochází při jednorázovém působení i ke sluchovému poškození, protržení bubínku.

Základní vlastnosti zvuku Barva zvuku tvořena celistvými násobky základního kmitočtu tónu - vyšší harmonické kmitočty Hlasitost zvuku subjektivní hodnocení sluchového vjemu jednotka hlasitosti - fon (Ph) Intenzita zvuku zvuková energie dopadající na jednotku plochy za jednotku času jednotka intenzity – bel (B) Výška zvuku dána jeho frekvencí, čím vyšší frekvence, tím vyšší výška jednotka výšky – herz (Hz)

Akustická intenzita Množství akustické energie, která projde jednotkovou plochou za jednotku času Jednotka: 1 bel (1 B) Orientační hodnoty šepot - 10- 20 dB tlumený hovor 35- 45 dB hovor střední hlasitosti 50- 55 dB symfonický orchestr 70-90 dB rocková hudba 110-130 dB

Dopplerův jev Rázová vlna (zvuková bariéŕa) nastává při relativním pohybu zdroje zvuku a pozorovatele, který zvuk přicházející od zdroje vnímá. Pozorovatel slyší zvuky jiné frekvence, než je frekvence zdroje. Vyšší, když se zdroj zvuku a přijímač zvuku přibližují, a nižší, pokud se zdroj zvuku a přijímač zvuku navzájem vzdalují. Rázová vlna (zvuková bariéŕa) Pohybuje-li se zdroj vlnění rychleji než vlnění samotné, nemůže se vlnění šířit do libovolného směru. Je pro něho například nemožné dostat se před pohybující se zdroj: Rázová vlna: Tento úkaz nazýváme rázovou vlnou, pro zvuk se mu říká zvuková bariéra. Zvuk se šíří v charakteristickém kuželu za pohybujícím se zdrojem. Rázová vlna vzniká například při nadzvukovém pohybu letadla. Pozorovatel stojící na zemi uvidí letící letadlo, ale zpočátku neslyší žádný zvuk. Ten se objeví až naráz, tedy v okamžiku, kdy kužel zvuku „tažený“ za letadlem projde místem, kde stojí pozorovatel. (http://www.aldebaran.cz/lab/doppler/5_dalsi_1.php)

Dělení zvukových záznamů dvě základní větve digitalizovaný záznam MIDI Bez komprese WAV Bezztrátová komprese FLAC, AAC Lossless, WMA9 Losseless Ztrátová komprese MP3, Real Audio, WMA, Vorbis, AAC, AC3, DTS Komprese = zmenšení objemu dat digitalizovaný záznam (např. hlas zaznamenaný z mikrofonu, soubor mp3 s nahrávkou hudby apd.) MIDI, sloužící pro přenos řídících dat a komunikaci mezi hudebními nástroji

Bez komprese - WAV „Waveform audio file format“ Velikost souboru je omezena na 4GB (6,6 h záznamu v CD kvalitě*) Vhodné pro zpracování zvuku *CD kvalita Vzorkovací frekvence 44,1 kHz Bitová hloubka 16 bit (dnes už i 24) Nebo také WAVE, od IBM a Microsoftu Výchozí formát před další konverzí Pro Apple je formát AIFF

Bezztrátová komprese -FLAC Otevřený formát Princip jako komprimační formáty RAR/Zip Velikost nového souboru asi 60% z původního Vysoká kvalita Komprimace = odstranění duplikovaných informací

Bezztrátová komprese –AAC Lossless, WMA 9 Lossless Rozšíření standardu MPEG-4 Part 3 Přirovnáván k FLAC *.m4a WMA 9 Lossless Až 6 kanálů Komprese 1,7:1 – 3:1

Ztrátová komprese – MP3 pro archivaci či ukládání zvukových záznamů velikost souboru závislá na: vzorkovací frekvenci rozsahu sledovaných hodnot záznam připraven o zvukové rozsahy a vlastnosti, které lidské ucho neslyší úprava frekvenčního spektra Standardní rozsah bitrate 32-320 kvalita záznamu určena kompresním poměrem velká komprese = malý soubor a nízká kvalita zvuku malá komprese naopak http://www.youtube.com/watch?v=bxsNSvdFmmY Dalšími faktory, které ovlivňují kvalitu komprese jsou použitý psychoakustický model, který (zjednodušeně řečeno) určuje co je a co není důležité pro naše ucho a komprimační algoritmus Problém při kompresi mluveného slova (zkrácení mezer mezi slovy) Přibližně 10x menší velikost souboru než u CD audia Možný ID3 Tag

Ztrátová komprese – WMA „Windows Media Audio“ Do verze 8 (WM Player) velice nekvalitní Verze 9.1 umí i bezztrátovou kompresi a multikanálovou kompresi Mělo nahradit MP3 (MS za MP3 musí platit) Přípony asf a wma Problém je ořezávání vyšších frekvencí při nižších datových tocích

Ztrátová komprese – Vorbis, AAC Svobodný, open source Původně náhrada za MP3 Kvalita jako WMA, i vícekanálový zvuk AAC Následovník MP3 Patentován skupinou MPEG Obrovský rozsah bitrate Pokročilý kodek Vorbis uložen v kontejneru ogg Pro aac vetšinou potřeba externího pluginu

Ztrátová komprese – AC3, DTS Pro DVD, následník Dolby Stereo Nedobrý poměr kvality zvuku a komprese Více možných konfigurací (1.0, 2.0…5.1…) DTS vícekanálový formát, prostorové ozvučení Pro DVD, kompresní poměr 4:1 až 8:1 Kina, dvd

MIDI „Musical Instrument Digital Interface“ standard pro komunikace mezi hudebními nástroji, bicími moduly… Digitální zvukový záznam > MIDI je jeho digitálním popisem > zpracováno výstupním zvukovým zařízením MIDI signál neobsahuje vlastní zvuk Skvělá editace Data lze přenášet i bezdrátově světový standard pro komunikace mezi hudebními nástroji, bicími moduly, sequencery, počítači a dalším hudebním (i nehudebním např. pódiová světla) zařízením digitálním popisem tzn. souborem informací o výšce jednotlivých tónů, jejich intenzitě, délce, MIDI signál neobsahuje vlastní zvuk (zvukové vzorky), ale pouze výše uvedené informace.

Děkujeme za pozornost