Tworzenie muzyki. Opanowanie - część 2

O tym, że mastering w procesie produkcji muzycznej jest ostatnim krokiem na drodze od pomysłu muzyki do jej dostarczenia odbiorcy pisałem w poprzednim numerze. Przyjrzeliśmy się również bliżej cyfrowo nagranemu dźwiękowi, ale nie omawiałem jeszcze, w jaki sposób ten dźwięk, przetworzony na konwertery napięcia AC, jest konwertowany do postaci binarnej.

1. Każdy złożony dźwięk, nawet o bardzo wysokim stopniu złożoności, w rzeczywistości składa się z wielu prostych dźwięków sinusoidalnych.

Poprzedni artykuł zakończyłem pytaniem, jak to możliwe, że w tak falującej fali (1) zakodowana jest cała muzyczna treść, nawet jeśli mówimy o wielu instrumentach grających partie polifoniczne? Oto odpowiedź: wynika to z faktu, że każdy złożony dźwięk, nawet bardzo złożony, jest naprawdę składa się z wielu prostych sinusoidalnych dźwięków.

Sinusoidalny charakter tych prostych przebiegów zmienia się zarówno w zależności od czasu, jak i amplitudy. Przebiegi te nakładają się, dodają, odejmują, modulują się nawzajem, tworząc w ten sposób najpierw indywidualne dźwięki instrumentów, a następnie kompletne miksy i nagrania.

Na rysunku 2 widzimy pewne atomy, molekuły, z których składa się nasza materia dźwiękowa, ale w przypadku sygnału analogowego takich atomów nie ma - jest jedna linia parzysta, bez kropek oznaczających kolejne odczyty (różnicę widać w figurę w krokach, które są przybliżone graficznie w celu uzyskania odpowiedniego efektu wizualnego).

Ponieważ jednak odtwarzanie nagranej muzyki ze źródeł analogowych lub cyfrowych musi odbywać się za pomocą mechanicznego przetwornika elektromagnetycznego, takiego jak głośnik lub przetwornik słuchawkowy, różnica między czystym dźwiękiem analogowym a rozmyciem dźwięku przetworzonego cyfrowo jest w większości przypadków przytłaczająca. Na ostatnim etapie, tj. podczas słuchania muzyka dociera do nas w taki sam sposób, jak drgania cząsteczek powietrza wywołane ruchem membrany w przetworniku.

2. Cząsteczki, z których składa się nasz dźwięk, materia

cyfra analogowa

Czy są jakieś słyszalne różnice między czysto analogowym dźwiękiem (tj. nagranym analogowo na magnetofonie analogowym, zmiksowanym na analogowej konsoli, skompresowanym na analogowej płycie, odtworzonym na analogowym odtwarzaczu i wzmocnionym wzmacniaczu analogowym) a dźwiękiem cyfrowym – przekonwertowanym z z analogowego na cyfrowy, przetwarzany i miksowany cyfrowo, a następnie przetwarzany z powrotem do postaci analogowej, czy dzieje się to tuż przed wzmacniaczem, czy praktycznie w samym głośniku?

W zdecydowanej większości przypadków raczej nie, choć gdybyśmy nagrali ten sam materiał w obie strony, a potem go odtworzyli, to różnice z pewnością byłyby słyszalne. Będzie to jednak wynikało raczej z charakteru narzędzi wykorzystywanych w tych procesach, ich cech, właściwości, a często ograniczeń, niż z samego faktu zastosowania technologii analogowej czy cyfrowej.

Jednocześnie wychodzimy z założenia, że ​​sprowadzenie dźwięku do postaci cyfrowej, tj. wyraźnie zatomizowane, nie wpływa znacząco na sam proces rejestracji i obróbki, tym bardziej, że próbki te występują z częstotliwością, która – przynajmniej teoretycznie – jest daleko poza górną granicą słyszanych przez nas częstotliwości, stąd ta specyficzna ziarnistość dźwięku konwertowana do postaci cyfrowej, jest dla nas niewidoczny. Jednak z punktu widzenia masteringu materiału dźwiękowego jest to bardzo ważne, o czym porozmawiamy później.

Zastanówmy się teraz, jak sygnał analogowy jest konwertowany na postać cyfrową, czyli zero-jedynkową, czyli taki, w którym napięcie może mieć tylko dwa poziomy: cyfrowy jeden, co oznacza napięcie, oraz cyfrowy poziom zerowy, tj. to napięcie praktycznie nie istnieje. Wszystko w cyfrowym świecie jest albo jeden albo zero, nie ma wartości pośrednich. Oczywiście jest też tak zwana logika rozmyta, gdzie nadal występują stany pośrednie między stanami „włączony” lub „wyłączony”, ale nie dotyczy to cyfrowych systemów audio.

3. Drgania cząsteczek powietrza wywołane źródłem dźwięku wprawiają w ruch bardzo lekką strukturę membrany.

Transformacje, część pierwsza

Każdy sygnał akustyczny, czy to wokal, gitara akustyczna czy perkusja, jest przesyłany do komputera w postaci cyfrowej, najpierw musi zostać przekonwertowany na zmienny sygnał elektryczny. Odbywa się to zwykle za pomocą mikrofonów, w których drgania cząsteczek powietrza powodowane przez źródło dźwięku napędzają bardzo lekką konstrukcję membrany (3). Może to być membrana umieszczona w kapsule pojemnościowej, metalowa taśma foliowa w mikrofonie wstęgowym lub membrana z przymocowaną do niej cewką w mikrofonie dynamicznym.

W każdym z tych przypadków na wyjściu mikrofonu pojawia się bardzo słaby, oscylujący sygnał elektrycznyktóry w większym lub mniejszym stopniu zachowuje proporcje częstotliwości i poziomu odpowiadające tym samym parametrom oscylujących cząstek powietrza. Jest to zatem rodzaj elektrycznego analogu, który może być dalej przetwarzany w urządzeniach przetwarzających zmienny sygnał elektryczny.

Najpierw sygnał mikrofonu musi być wzmocnionyponieważ jest zbyt słaby, aby można go było w jakikolwiek sposób wykorzystać. Typowe napięcie wyjściowe mikrofonu jest rzędu tysięcznych wolta, wyrażone w miliwoltach, a często w mikrowoltach lub milionowych częściach wolta. Dla porównania dodajmy, że konwencjonalna bateria palcowa wytwarza napięcie 1,5 V, a jest to napięcie stałe, które nie podlega modulacji, co oznacza, że ​​nie przekazuje żadnych informacji dźwiękowych.

Jednak napięcie prądu stałego jest potrzebne w każdym układzie elektronicznym jako źródło energii, która następnie moduluje sygnał prądu przemiennego. Im czystsza i bardziej wydajna jest ta energia, im mniej jest narażona na obciążenia prądowe i zakłócenia, tym czystszy będzie sygnał AC przetwarzany przez elementy elektroniczne. Dlatego zasilacz, czyli zasilacz, jest tak ważny w każdym analogowym systemie audio.

4. Wzmacniacz mikrofonowy, znany również jako przedwzmacniacz lub przedwzmacniacz

Wzmacniacze mikrofonowe, zwane również przedwzmacniaczami lub przedwzmacniaczami, służą do wzmacniania sygnału z mikrofonów (4). Ich zadaniem jest wzmocnienie sygnału, często nawet o kilkadziesiąt decybeli, czyli podniesienie ich poziomu o setki lub więcej. Tak więc na wyjściu przedwzmacniacza otrzymujemy napięcie przemienne wprost proporcjonalne do napięcia wejściowego, ale przewyższające je setki razy, tj. na poziomie od ułamków do jednostek woltów. Ten poziom sygnału jest określony poziom linii i to jest standardowy poziom operacyjny w urządzeniach audio.

Transformacja, część druga

Sygnał analogowy tego poziomu może już zostać przekazany proces digitalizacji. Odbywa się to za pomocą narzędzi zwanych przetwornikami lub przetwornikami analogowo-cyfrowymi (5). Proces konwersji w klasycznym trybie PCM, czyli Modulacja szerokości impulsu, obecnie najpopularniejszy tryb przetwarzania, definiowana jest przez dwa parametry: częstotliwość próbkowania i głębia bitowa. Jak słusznie podejrzewasz, im wyższe te parametry, tym lepsza konwersja i tym dokładniejszy sygnał będzie podawany do komputera w postaci cyfrowej.

5. Przetwornik lub przetwornik analogowo-cyfrowy.

Ogólna zasada dla tego typu konwersji pobieranie próbek, czyli pobieranie próbek materiału analogowego i tworzenie jego cyfrowej reprezentacji. Tutaj interpretowana jest chwilowa wartość napięcia w sygnale analogowym, a jej poziom jest reprezentowany cyfrowo w układzie binarnym (6).

W tym miejscu należy jednak pokrótce przypomnieć podstawy matematyki, zgodnie z którymi dowolna wartość liczbowa może być reprezentowana w dowolny system liczbowy. W historii ludzkości używano i nadal używa się różnych systemów liczbowych. Na przykład pojęcia takie jak tuzin (12 sztuk) czy grosz (12 tuzinów, 144 sztuk) oparte są na systemie dwunastkowym.

6. Wartości napięcia w sygnale analogowym i przedstawienie jego poziomu w postaci cyfrowej w układzie binarnym

Dla czasu stosujemy systemy mieszane - sześćdziesiętny dla sekund, minut i godzin, pochodna dwunastkowa dla dni i dni, siódmy dla dni tygodnia, czterodziesiętny (również powiązany z systemem dwunastkowym i sześćdziesiętnym) dla tygodni w miesiącu, system dwunastkowy do wskazania miesięcy w roku, a następnie przechodzimy do systemu dziesiętnego, gdzie pojawiają się dekady, stulecia i tysiąclecia. Myślę, że przykład wykorzystania różnych systemów do wyrażania upływu czasu bardzo dobrze pokazuje naturę systemów liczbowych i pozwoli skuteczniej poruszać się po zagadnieniach związanych z konwersją.

W przypadku konwersji analogowo-cyfrowej będziemy najczęściej konwertuj wartości dziesiętne na wartości binarne. Dziesiętny, ponieważ pomiar dla każdej próbki jest zwykle wyrażany w mikrowoltach, miliwoltach i woltach. Wówczas wartość ta zostanie wyrażona w systemie binarnym, tj. za pomocą funkcjonujących w nim dwóch bitów - 0 i 1, które oznaczają dwa stany: brak napięcia lub jego obecność, wyłączony lub włączony, prąd lub brak itp. W ten sposób unikamy zniekształceń, a wszystkie działania stają się znacznie prostsze w realizacji poprzez zastosowanie tzw. zmiana algorytmów, z którymi mamy do czynienia np. w odniesieniu do złączy czy innych procesorów cyfrowych.

Jesteś zero; lub jeden

Za pomocą tych dwóch cyfr, zer i jedynek, możesz wyrazić każda wartość liczbowaniezależnie od jego wielkości. Jako przykład rozważmy liczbę 10. Kluczem do zrozumienia konwersji dziesiętnej na dwójkową jest to, że liczba 1 w systemie binarnym, podobnie jak w systemie dziesiętnym, zależy od jej pozycji w ciągu liczbowym.

Jeśli 1 jest na końcu ciągu binarnego, to 1, jeśli na drugim od końca - to 2, na trzeciej pozycji - 4, a na czwartej pozycji - 8 - wszystko w systemie dziesiętnym. W systemie dziesiętnym ta sama 1 na końcu to 10, przedostatnia 100, trzecia 1000, czwarta XNUMX jest przykładem zrozumienia analogii.

Tak więc, jeśli chcemy przedstawić 10 w formie binarnej, będziemy musieli przedstawić 1 i 1, więc jak powiedziałem, byłoby to 1010 na czwartym miejscu i XNUMX na drugim, czyli XNUMX.

Gdybyśmy musieli przekonwertować napięcia od 1 do 10 woltów bez wartości ułamkowych, tj. używając tylko liczb całkowitych, wystarczy konwerter, który może reprezentować 4-bitowe sekwencje w postaci binarnej. 4-bitowy, ponieważ ta konwersja liczb binarnych wymaga maksymalnie czterech cyfr. W praktyce będzie to wyglądać tak:

0 0000

1 0001

2 0010

3 0011

4 0100

5 0101

6 0110

7 0111

8 1000

9 1001

10 1010

Te wiodące zera dla liczb od 1 do 7 po prostu uzupełniają ciąg do pełnych czterech bitów, aby każda liczba binarna miała tę samą składnię i zajmowała taką samą ilość miejsca. W formie graficznej takie tłumaczenie liczb całkowitych z systemu dziesiętnego na binarny pokazano na rysunku 7.

7. Konwersja liczb całkowitych w systemie dziesiętnym na system binarny

Zarówno górny, jak i dolny przebieg przedstawiają te same wartości, z tym że pierwszy jest zrozumiały np. dla urządzeń analogowych, takich jak mierniki poziomu napięcia, a drugi dla urządzeń cyfrowych, w tym komputerów przetwarzających dane w takim języku. Ten dolny przebieg wygląda jak fala prostokątna o zmiennym wypełnieniu, tj. inny stosunek wartości maksymalnych do wartości minimalnych w czasie. Ta zmienna zawartość koduje wartość binarną sygnału do przetworzenia, stąd nazwa „modulacja impulsowo-kodowa” – PCM.

Wróćmy teraz do konwersji prawdziwego sygnału analogowego. Wiemy już, że można to opisać linią przedstawiającą płynnie zmieniające się poziomy, a nie ma czegoś takiego jak przeskakiwanie tych poziomów. Jednak na potrzeby konwersji analogowo-cyfrowej musimy wprowadzić taki proces, aby móc od czasu do czasu zmierzyć poziom sygnału analogowego i przedstawić każdą tak zmierzoną próbkę w postaci cyfrowej.

Założono, że częstotliwość, z jaką te pomiary zostaną wykonane, powinna być co najmniej dwukrotnie wyższą częstotliwością, jaką człowiek może usłyszeć, a ponieważ jest to około 20 kHz, zatem najbardziej 44,1 kHz pozostaje popularną częstotliwością próbkowania. Obliczenie częstotliwości próbkowania wiąże się z dość złożonymi operacjami matematycznymi, co na tym etapie naszej znajomości metod konwersji nie ma sensu.

Więcej czy lepiej?

Wszystko, o czym wspomniałem powyżej może świadczyć o tym, że im wyższa częstotliwość próbkowania, tj. pomiar poziomu sygnału analogowego w regularnych odstępach czasu, tym wyższa jakość konwersji, bo jest – przynajmniej w sensie intuicyjnym – dokładniejsza. Czy to naprawdę prawda? Dowiemy się o tym za miesiąc.