Děkujeme paní profesorce Klimkové a panu Milanu Jaklovi za vedení a odborné poradenství

Děkujeme paní profesorce Klimkové a panu Milanu Jaklovi za vedení a odborné poradenství.

Prohlašujeme, že jsme práci vypracovali samostatně s využitím uvedených pramenů a literatury.

Obsah 0. Úvod 1. Zvukové nosiče 1.1 Fonografické válečky  1.2 Gramofonové desky 1.2.2 Typy vinylových desek

1.3 Audiokazety 1.3.1 Druhy audiokazet

1.4 Kompaktní disky 1.4.1 Druhy CD

2. Digitální zpracování zvuku 2.1 Signál 2.2 Rozdíl mezi analogem a ditigálem 2.3 Princip digitalizace 2.3.1 Příklady

2.4 Pojmy 2.4.1 Bitová hloubka 2.4.2 Vzorkovací frekvence 2.4.3 Aliasing 2.4.4 Fourierova analýz 2.4.5 A/D konverze 2.4.6 D/A konverze, interpolace

2.5 Rekapitulace 2.5.1 Srovnání

2.6 Audio formáty 2.6.1 Nekomprimované 2.6.2 Komprimované

3. Psychoakustika 3.1 Úvod 3.2 Člověk a zvuk 3.2.1 Lidské ucho

3.3 Kvalita zvuku 3.4 Definice psychoakustiky 3.4.1 Psychoakustické veličin 3.4.2 Psychoakustické maskování

4. Vlastní výzkum 5. Diskuze 6. Závěr 7. Zdroje

0. Úvod Ten, kdo trochu sleduje nová hudební vydání, si nemůže nevšimnout, že v posledních letech se vedle CDček navrací gramofonové desky. Ty, kterým byl ještě v první polovině posledního desetiletí předpovídán zánik a které jistou dobu přežívaly snad jen v regálech fajnšmekrů, se opět vrací. Je to jenom móda bez reálného podkladu, nebo doopravdy přinášejí lepší kvalitu zvuku oproti CDčkám? A vůbec, jak je to se všemi těmi audio formáty a proč se o některých tvrdí, že jsou kvalitnější, než jiné? To jsme se rozhodli v našem projektu prozkoumat. Práce obsahuje popis a historii zvukových nosičů a jejich členění. Dále se věnuje digitálnímu zpracování zvuku a rozdílu mezi analogovým a digitálním signálem. Představeny jsou i zvukové formáty. Na závěr pojednává o psychoakustice, vnímání zvuku a psychoakustickém maskování.

1. Zvukové nosiče 1.1 Fonografické válečky Fonografické  válečky  byly  vůbec  první  zvukové  nosiče.  Fonograf  vynalezl  roku  1877 Thomas Alva  Edison.  Princip  fonografu  je  stejný  jako   u  gramofonu,  rozdíl  je  pouze  v  médiu,  na  kterém  je uchováván  zvukový  záznam.  Zatímco  u  gramofonových  desek  je  drážka  konstantně  hluboká a  zvuk je zachycen  odchylkami  do  stran,   u  válečku  se  záznam  provádí  změnou  hloubky  drážky.  Válečky  byly produkovány  do  roku  1929,  kdy  přestala   jejich  masová  výroba  a  byly  nahrazeny  gramofonovými deskami. Největší  výhodou  gramofonu  bylo,  že  záznam zvukové stopy v podobě stranových odchylek se již  v  době  vzniku  gramofonu  dařilo  kopírovat  pomocí  pákového  mechanismu.  To  umožnilo  snadno vyrábět  kopie  gramofonových  desek  z  jednou  provedené  nahrávky  a  prodávat  desky  se záznamem ve větších  sériích  a  levněji,  než   fonografické  válečky.   U  fonografu   se  tehdejšími  technologiemi  záznam kopírovat  nezdařilo.  Nahrávání   na  fonograf  se  obvykle  provádělo  tak,  že  zpěvák  zpíval  před  několika fonografy  a  po  skončení písně nahrával  tutéž píseň  na  dalších několik válečků.  Plochý tvar  desky  navíc později umožnil gramofonové desky již se záznamem ve velkých sériích zhotovovat lisováním.

1.2 Gramofonové desky Gramofonová  deska  je  zvukový  nosič  používaný  od  konce  19.  století  pro  analogový  záznam zvuku.  Od  konce  80.  let  20.  století  byla   postupně  nahrazována  digitálním  záznamem  na  CD  a  DVD discích.  Dnes  se  vydávají  gramofonové  desky  pouze  jako  doplněk vedle digitálních hudebních  nosičů  a slouží  zejména  pro  sběratelské  účely a pro tzv. DJ­ing.  Při použití  velmi  kvalitních  reprodukčních HI­FI zařízení  mnozí  nároční  posluchači  stále  ještě  preferují  původní  gramofonové  desky  oproti  moderním digitálním CD a DVD nosičům zvukového záznamu. 1.2.1 Historie První   desky   vynalezl  Emil  Berlinger  v  roce  1896,  které  vymyslel  jako  náhradu  za  voskový válec,  používající  se   v  té  době  do  Edisonova  fonografu.  Desky  byly  vyráběny  z  šelaku  a  s   průměrem 13cm.V  roce  1901  byly  představeny desky s průměrem  25cm,  v roce 1903 s průměrem 30 cm.  V roce 1905  se  začala  vyrábět  deska  se  záznamy  na  obou  stranách.  Za  standart  byla  prohlášena  deska  s průměrem 25 cm a s rychlostí 78 otáček za minutu, obsahovala asi 3 minuty zvuku. V  roce  1931  na  trh  vstoupily  první  desky  z  vinylu  s  průměrem  30  cm,   které  s  rychlostí  33  otáček  za

minutu přinesly kapacitu 20 minut. V  únoru  1949  byly  oznámeny  první  desky s průměrem  17.5  cm a  45  otáčkami  za minutu. Tyto  desky  s kapacitou 8 minut byly používány převážně pro singlové skladby. Během  50.  a  60.  let  se  standardizovaly  formáty  30  cm  s  rychlostí  33  otáček  za  minutu  pro  LP nahrávky a 17.5 cm s rychlostí 45 otáček za minutu pro singlové nahrávky.

1.2.2 Typy vinylových desek ●

SP  (single   play)  ­  menší  typ  vinylových  desek  obvykle  na  rychlost  45 otáček za  minutu (rpm), výjimečně  na  rychlost  33.  Obvykle  jedna strana desky obsahovala jednu  hudební skladbu  resp. písničku. Průměr desky 17,5 cm.

●

LP   (long  play)  ­  dlouhohrající  deska  s  průměrem  30cm,  obvykle  na  rychlost  33,1/3  otáček   za minutu zpočátku výjimečně i na rychlost 16+2/3otáček  za  minutu.  V   případě   populární hudby většinou obsahovala celé jedno album jednotlivé skupiny, u vážné hudbypak  jakoukoliv  jinou nahrávku v celkové délce až 45 minut.

●

GL – zvláštní typ gramofonové desky. Průměr 25 cm, 33+1/3 rpm Na "rychlosti" 16+2/3 rpm bylo vydáváno jen mluvené slovo.

nebo  16+2/3  rpm.

1.3 Audiokazety Audiokazeta  je  typ  nosiče,  zaznamenávající  zvuk  na  magnetickou  pásku.  Byla  poprvé  byla představena  nizozemskou  firmou  Philips  v  roce  1963  v  Berlíně.  Byla  zamýšlena  pro  využití  v přenosných  magnetofonech  pro  záznam  mluveného  slova  nebo  hudby  bez  požadavku  na  věrnou reprodukci,  který   v  té  době  zprostředkovávali  cívkové  magnetofony.  Kazety  postupně   získaly  na popularitě  díky  snadné  manipulaci,   uplatnily  se  nejen  v  přenosných  přístrojích,  ale  i   v  autorádiích, přenosných  přehrávačích  (Walkmanech)  a  domácích  sestavách.  Audiokazety   se  přehrávaly oboustranně  (kazetu  bylo  možné  po dohrání na konec otočit a nahrávat  na  druhou stranu).  Vyráběly  se různých  délkách,  nejkratší  byla  kazeta  C­30  s  dobou  nahrávky  půl  hodiny  a  nejdelší  C­120  s  dvěma hodinami. K sehnání byly i atypické délky, např. C­45; C­50; C­74; C­80 a C­110. Kazety  s  délkou  nad  100  minut  měly  velmi  tenký  pásek,  proto  se  mohly  používat  jen  v kvalitních  a  dobře  seřízených  přístrojích,  jinak  hrozilo  přetržení  pásku.  Digitální  i  analogové  kazety postupně  z  trhu  mizí,  neboť  jejich  výroba  je  nákladná  (zavádění a navíjení pásku, drahé  lisovací formy) a  magnetofony  se  již  delší  dobu  neprodávají.  Audiokazeta  ve  své  době  odolala  konkurenci  v  podobě systému  ELCASET  (Sony)  v  70.  letech,  nebo  minidisku  (Sony)  v  90.  letech  20.  století. Začátkem 21. století  kazety  postupně  vytlačily  digitální  formáty  CD­R/RW  a  MP3.  Nenahrané  kazety  lze  v  roce 2013,  tedy padesát let  od  představení CC kazety stále  zakoupit v  omezeném  sortimentu např. trafikách, velkoprodejnách  elektro  apod.   Jde   zejména  o  značku  Sony  a  Maxell  s  pásky  typu  I  o  délce  60  a  90 minut.  Typy  II,  III  a IV již nejsou v  prodeji.  V  rámci  zlepšení kvality  zvuku byly vylepšovány  i samotné kazety,  resp.  na  trhu  se  objevily  pásky  s  lepším  chemickým  složením.  Kvůli  lepší  kompatibilitě  s parametry magnetofonů byly kazety rozčleněny do 4 skupin:

1.3.1 Druhy audiokazet Typ­I ­ základní typ pásku z oxidu železitého.

Typ­II   ­   pásek  z  oxidu  chromičitého.  Menší  šum,  resp.  větší  dynamika  a   kmitočtový  rozsah  (ve prospěch  vysokých  kmitočtů)  než  u  předešlého  typu.  Nutnost  vyššího  předmagnetizačního  proudu  při záznamu a jiné snímací charakteristiky při přehrávání. Typ­III  ­  pásek   ze  směsi  Fe2O3  a  CrO2.  Na  trhu  se  udržel  jen   krátce,  trpěl  minimální  odolností  vůči přebuzení při záznamu a kvalitami nepřevyšoval Typ II. Typ­IV   ­   nejkvalitnější  pásek  z  chemicky  čistého  železa.  Dynamický  rozsah,  kmitočtová charakteristika  a  malý  šum  dovolovaly  pořídit  záznam  srovnatelný  s kvalitou  CD. Nutnost  ještě vyššího předmagnetizačního a mazacího proudu než u pásku typu II (snímací charakteristika naopak stejná).

1.4 Kompaktní disky Historicky  první  album  vyrobené  ve  formě  kompaktního  disku  bylo  The  Visitors  od  skupiny ABBA,  a  to  17.   srpna  1982.  Na  přelomu  80.  a  90.  let  spolu  s  klesající  cenou   přehrávačů  a  disků kompaktní  disk  zcela  vytlačil  předtím  rozšířené  dlouhohrající  gramofonové   desky   s  analogovým záznamem zvuku. CD  se  také  brzy  začala  používat  ve  světě  počítačů  jako  obecné  datové  médium,  s  kapacitou původně  656  MB   (74minutová),  dnes  nejčastěji  700   MB.  Menší  osmicentimetrové  disky mají kapacitu 184­210  MB,  tzn.  21­24  minut.  Na  CD  se  dají  ukládat  i   informace  v  podobě  referátů,  prezentací, tabulek, atd. CD­ROM zařízení  na čtení CD,  jehož autory byly firmy Philips a  Sony, je určeno pouze  ke čtení informací. Dovoluje uložení až 650MB programů a dat. CD­formát  začíná  být  vytlačován  diskem  DVD,  s   jeho  klesající  cenou  a  klesající  cenou rekordérů.  DVD   disk  je  přímým  pokračovatelem  CD  nejen  svojí  vnější  podobou  (CD  je  od  DVD laickým  pohledem  prakticky  nerozeznatelné),  ale  i  digitální  technologií  záznamu  dat.  Kapacita běžných DVD  je  oproti klasickému  CD  zhruba šestinásobná. Životnost zapisovatelného (CD­R) media  se udává v průměru asi 8 let. 1.4.1 Druhy CD Červená kniha ­ CD­DA Nejrozšířenější  a  nejstarší  typ,  používaný  pro  klasické  hudební  CD.  Z  tohoto  standardu  se vyvinuly  všechny  ostatní  používané  standardy.  Začátek  stopy  disku  začíná  u  středu  disku  tabulkou obsahu  disku.  V  tabulce  jsou  uloženy  počátky  záznamů  ve  formátu  minuty:sekundy.  Po  tabulce následují jednotlivé záznamy a ukončovací oblast. Záznamů může být až 99 v celkové délce až 74min.

Žlutá kniha ­ CD­ROM Tento  standard  používá  dělení  disků  vycházející  ze  standardu  CD­DA.  Záznam  na  disku  je rozdělen  na  minuty  a  sekundy,  každá  sekunda  ale  obsahuje  navíc  75  sektorů  a  každý  sektor  má kapacitu  2352B.  Tento  standard  je  univerzální  a  používá  jej  téměř  každý  typ  počítače a  herní  konzoly. Vyjímkou  jsou  počítače  Macintosh,  které  používají  vlastní  systém  označený  HFS  a  HFS+.  Standard 9660  poskytuje  kompatibilitu  médií.  Tím  je  myšlena  schopnost  číst  soubory  na  jakémkoliv  disku CD­ROM pomocí téměř libovolné jednotky CD­ROM. Oranžová kniha ­ CD­R Formát CD­R umožňuje pomocí CD­R jednotek na médium obdobné klasickému CD zapsat data u uživatele. Data lze zapsat pouze jednou. Po zapsání těchto dat je možné vložit disk do jakékoliv jednotky CD­ROM, která jej přečte. Pomocí této jednotky lze vytvořit téměř všechny typy CD: zvuková CD, IBM nebo MAC CD­ROM, CD­I a Video CD. Zápis dat

CD­R touto metodou může sloužit k vytváření buď multimediálních prezentací nebo zálož ních kopií důležitých dat. Další formáty: • Bílá kniha ­ Video CD • Zelená kniha ­ CD­I • modrá kniha ­ Enhanced CD • béžová kniha ­ PhotoCD • šarlatová kniha ­ SACD

2. Digitální zpracování zvuku 2.1 Signál Abychom lépe porozuměli digitálnímu zpracování signálu, je třeba vysvětlit základní pojmy. Signál je formální popis fenoménu (jevu) vyvíjejícího se v čase či v prostoru. Například  pokud  vezmeme  jako  fenomén  dešťové  srážky  za  měsíc  březen,  zaznamenáváním  srážek  v milimetrech (popis fenoménu) získáme něco, co můžeme nazvat “dešťovým signálem”.

2.2 Rozdíl mezi analogem a ditigálem Zamyšlení  nad  tím,  co  jsme  právě   udělali,  nám pomůže  porozumět  rozdílu mezi spojitými (analogovým) a  nespojitými  (diskrétním)  signály,  který   vyplývá  z   vnímání  světa   poprvé  rozšířeného  kolem  6.  století př.n.l.  Právě  tou  dobou,  kdy  se  vše  měřilo  celými  čísly  a  zpravidla to  stačilo (počítání kusů  dobytka  ve stádu,  například),  Pythagoras  zjistil,   že  strana  a  uhlopříčka  čtverce  nejsou  proporcionální,  a  že  druhá odmocnina ze 2 není jen tak ledajaké číslo. Objev  iracionálních  čísel  odstartoval pohled na svět  dnes nazývaný  jako kontinuum, podle  kterého  jsou čas  a  prostor  nepřerušovaný  “proud”,  který  můžeme  podle  libosti  rozdělit  na  libovolně  (klidně nekonečně) malé úseky. Zpět ke srážkám. Dešťové  srážky   za  měsíc březen (funguje i v  dubnu) jsou kontinuální fenomén.  Zní to složitě? Ale  není. Trik je v tom, že v každém okamžiku mezi 1. a 31. březnem se fenomén (srážky) vyvíjel. Buď  pršelo,  nebo  nepršelo.  Nebo  pršelo  hodně.  Nebo  málo.  Nebo  málo  a  potom  hodně,  potom  zase málo,  potom  vůbec  atd.  Ať  to  bylo   jakkoliv,  v  každém  okamžiku  mezi  1.  a  31.  březnem  se  námi studovaný fenomén nějak vyvíjel. 4. března v 5:33h a také 27. března v 16:26h. Řekněme,  že  jsme  každý  den   v  poledne  zapsali  stav  srážek.  Na  konci  měsíce  máme  tabulku  (třeba  s grafem), která nás informuje o stavu srážek za měsíc březen ­ toto je náš dešťový signál.

2.3 Princip digitalizace Tímto způsobem se dostáváme k pojmům vzorkování (samplování) a kvantování. Náš dešťový signál je nespojitým (diskrétním) popisem kontinuálního (spojitého) fenoménu. Stav  srážek  jsme  totiž  zaznamenávali  každý  den   ve  12h,  ale  fenomén  se  ve  skutečnosti  vyvíjel  i  mezi těmito daty. Náš signál je stvořen za dodržení vzorkovací frekvence 1 zaznamenání za den. Pokud  chceme  vylepšit  přesnost  našeho  měření, můžeme  zvolit vyšší  vzorkovací frekvenci,  třeba  2x  za den, nebo i 4x za den.

Přesnost ale nezávisí pouze na frekvenci měření, ale i na způsobu kvantování. Odborná definice ho popisuje jako “diskretizaci oboru hodnot signálu”. Pro  nás  z  toho  vyplývá,  že   z  nekonečného  množství  možných  hodnot  (srážek  v  mm)  budeme  brát  v potaz pouze některé. Nejlépe  je  to  vidět  při  porovnání  stupnic  teploměrů  ­  jeden  model  může  mít  stupnici  rozdělenou  po desítkách stupňů (10 st, 20 st…), kdežto druhý po stupních (10 st, 11 st, 12 st…). Když  chceme  zjistit  teplotu,  podíváme  se  na  výšku  rtuťového  sloupce  a  poté  na  nejbližší  čárku  na stupnici, z čehož teplotu vyvodíme ­ z toho vyplývá, že druhý model teploměru je mnohem přesnější. Množství  srážek  můžeme  také  zaznamenat   v milimetrech,  desetinách,  setinách  milimetru a  tak dále (... teoreticky v nekonečně malých úsecích.), což je další faktor ovlivňující přesnost měření. Právě  jsme  si  popsali  princip  digitálního  signálu,  který  získáme  kombinací  vzorkování  a  kvantování; vrátíme se k němu později. Pro  zajímavost,  první  dochovaný  digitální  signál  je  egyptská  Palermská  deska  (2500­2000  př.n.l.), každoročně zaznamenávající Nilské záplavy ­ záznam výšky hladiny jednou za určité období.

Nabízí  se  otázka proč  děláme nespojité záznamy spojitých fenoménů? Protože  dělat kontinuální záznam je  často  složité,  ne­li  rovnou   nemožné,  nebo  dnešní  možnosti  nespojitého  záznamu  dokážou  podat informace s dostatečnou přesností jednodušším způsobem, než kdybychom se snažili o spojitý záznam.

2.3.1 Příklady: Spojitý  signál  ­  zaznamenáván  v  každém Nespojitý  signál  ­  zaznamenáván  ve momentě vybraných momentech Seismograf

Videokamera ­ Film ­ 24 snímků/sek

Plechovkový 

telefon

Kouřové  signály  ­  v  čase  t,  hodnota  1  nebo  0 (ano či ne, nebo cokoliv jiného)

Gramofonová  deska  ­  vyrytá  kontinuální CD  ­  nespojitá  série  informací,  podle   CD informace  jehlou  přímo  přeměňovaná na variace standardu  možnost  2^16  hodnot  (16bitová elektrického proudu ­ audio signál hloubka)  a  vzorkovací  frekvence  zpravidla 44.1kHz  ­  přečteny,  zprůměrovány,  přepočteny na variace elektrického proudu ­ audio signál

Jak  již  bylo  řečeno,  digitální  signál  získáme  kombinací  vzorkování  a  kvantování  analogového  signálu. Pro lepší představu, viz obr. níže:

2.4 Pojmy K digitálně zaznamenanému zvuku se váže několik pojmů: 2.4.1 Bitová hloubka Bitová  hloubka  úzce  souvisí  s  kvantováním  a  má  vliv  na  výslednou  dynamiku zvuku. Určuje, kolik  bitů (informace,   buď  1  nebo  0)  připadne  na  jeden   vzorek.  Pokud  je  hloubka  2  bity,  máme  2^2  (=4) možné hlasitostní  úrovně  (viz  příklad  s  teploměrem).  V  případě  CDček  je  standardem  16bitová  hloubka,  tzn 2^16 možných hodnot. Větší bitová hloubka také přináší nižší práh šumu. 2.4.2 Vzorkovací frekvence U CDček bývá standardně 44.1kHz. Proč? Pan   Nyquist  vymyslel  ve  třicátých  letech  teorém,  kterým  v  podstatě  umožnil  digitální  zpracovávání signálů. Aby podle  něj bylo  možné  věrně  reprodukovat  signál, je třeba zvolit vzorkovací frekvenci, která je minimálně 2x vyšší, než nejvyšší frekvence obsažené v signálu. Člověk  je  schopen  slyšet  frekvence  přibližně  od  20Hz  do  22kHz,  proto  je  právě  v  nahrávání  zvuků nejnižší přípustná vzorkovací frekvence 44.2kHz (= 2x22kHz). 2.4.3 Aliasing Pokud  se  Nyquistův  teorém  nedodrží,  dochází  k  tzv.  aliasingu.  Typickým  příkladem  jsou  podivně  se točící  kola  vozů  ve  starších  filmech,  kdy  vůz  jede  jedním  směrem, ale  my  máme dojem,  že se  kola točí opačným směrem a ještě k tomu podivně pomalu. To  proto,  že  staré  kamery  zaznamenávaly  cca  20­30  snímků  za  sekundu,  kdežto  kola  dostavníku udělala dejme tomu 60 otáček za sekundu, tudíž kamera nemohla věrně zaznamenat otáčení kol. Tato metoda převodu analogového signálu na digitální se nazývá PCM neboli pulzně kódová modulace. 2.4.4 Fourierova analýza Jedná  se  o  matematický  proces  vycházející  z  úvahy,  že  periodická funkce  (či  signál) by se dala zapsat jako  součet  nekonečného  množství  goniometrických  funkcí  sinus  a  kosinus.  Jednodušeji  řečeno,  že zvuk lze rozložit na hodně sinusovek o různých frekvencích, jejichž součtem se získá původní zvuk. Fourierova analýza je jedním ze základních stavebních kamenů zpracování signálů. Běžný  smrtelník  se  s  její  aplikací  může  setkat  např. u  grafického  ekvalizéru, který  rozděluje  frekvenční spektrum  zvuku  do  “pruhů”  podle  skupin  frekvencí  (basy,  středy,  výšky…),  se  kterými  se  dá samostatně manipulovat.

2.4.5 A/D konverze Tu  jsme  si  právě  popsali.  Analogový  signál  je  “roztříštěn”  na  malé  kousíčky,  které  se  uloží  jako  série informací o něm v daných momentech. 2.4.6 D/A konverze, interpolace Ta funguje obráceně. Důležité je zmínit, co to je interpolace. Digitální  signál  uložený  na  CDčku  je  série  informací,  která  je  “nadčasová”.  D/A  převodník  musí  tuto sérii  přečíst  a  mezi  každý  vzorek  přiřadit  pauzu  tak,  aby  byla  dodržena  původní  vzorkovací   frekvence 44.1kHz. Digitální signál nikdy není přesnou kopií analogového originálu. Je jako film, tzn vlastně iluze.

2.5 Rekapitulace Jak to funguje v praxi? Gramodeska

CD

Zvuk  se  nahraje  pomocí  mikrofonu,  který  mění … změny  tlaku  vzduchu  (=zvuk)  na  elektrický el.  proud  se  dostane  do  A/D  převodníku,  který proud  měnící  se  analogicky  ke  zvuku  (=zvukovýzapíše  informace  (2^16  možných  hodnot  v signál). případě  16bit  hloubky)  o  signálu  přesně  44100x Dále  krajně  zjednodušeně,  tento  proměnlivý  el. za  sekundu  (v  případě  CD,  podle  Nyquistova proud  rozkmitá  jehlu,  která  vyryje  drážky  do teorému  o  věrné  reprodukci  signálů).  Tyto gramodesky.  Tyto  drážky  jsou  stále  analogická informace  se  poté,  krajně  zjednodušeně,  vypálí reprezentace původního zvuku. na CD. Doma  nažhavíme  gramofon  ­  jehla  sledující CD  přehrávač  čte  sérii  dat  uloženou  na  CD  a drážku  na  desce  kmitá  nahoru a dolů  podle tvaru posílá  jí  do  D/A  převodníku,  který  informace drážky  a  svůj  pohyb  mění  (pomocí  cívky  a přemění  na  el.  proud,  který  je  dále  zesílen  a magnetu  pravděpodobně)  na  elektrický  proud, přeměněn na zvuk. který  je  teoreticky  stejný,  jako  ten,  který  vznikl při  nahrávání.   Tento   proud   je  potom  zesílený  a reproduktory  přeměněn  zpět  na  variace  tlaku vzduchu (=zvuk). Teoreticky  tedy  slyšíme  tentýž  zvuk,  žádná informace se neztratila. 2.5.1 Srovnání Gramodeska

CD

Teoreticky  nám  dá zvuk, ze kterého se neztratila Teoreticky  produkuje  zvuk,  který   nikdy  není žádná informace (pomineme­li  pozemské  faktory věrný  originálu.  S  vyšší  vzorkovací  frekvencí   se jako kvalita aparatury atp.) věrnost  reprodukce  zlepšuje,   ale  nikdy  není  tak dokonalá  jako  v  případě  nekonečně  vysoké  vz. frek. jako v případě gramodesky. Teoreticky. Náchylná  na  degradaci  ­  poškrábání,  opotřebení Může  být  přehráváno  donekonečna,  chybějící atp data lze dopočítat.

Obecně,  pro  každý  druh  analogového  záznamu Obecně,  digitální  data  mohou  být  uložena   v potřebujeme  jiný  druh  média  i  přehrávacího podstatě  v  jakékoliv  formě,  na  CDčku,  flešce zařízení,  navíc  je   daleko   obtížnější  i  nákladnějšínebo  třeba  disketě  můžete  mít  uložený  tentýž na zpracování. soubor  informací,  který  můžete  zpracovat  na  v podstatě jakémkoliv počítači. S  digitálním  signálem  se  oproti  analogovému  dá pracovat velmi jednoduše.

2.6 Audio formáty Když  už  zvuk  jednou  zdigitalizujeme,  chceme  získaná PCM  data  také  uložit. Způsobů jejich uspořádání je  ale  celá  řada.  Buďto  si  můžeme  ponechat  soustavu  nul   a  jedniček  tak,  jak  je,  nebo  můžeme  využít některý  z  formátů,  který  usnadňuje   (v  případě  většiny  spotřební  elektroniky  de  facto  umožňuje)  jejich čtení. Formáty digitálního zvuku jsou: 2.6.1 Nekomprimované (nejběžnějsí WAV, AIFF), výpočetně nenáročné na zpracování, ale vytváří velké soubory; 2.6.2 Komprimované rozlišujeme ○ bezztrátovou  kompresi  ­  zpracování  dat  s  cílem  snížení  jejich  objemu  při  zachování informací; ○ ztrátovou  kompresi  ­  komprese  nenávratně  mazající  informace,  které  kódovací algoritmus  vyhodnotí  jako  nerelevantní  pro  posluchače.  Říká  se,  že  bezztrátové formáty  jsou  vyvíjeny  s  cílem  zachytit  veškeré  informace,  zatímco  ztrátové  se  snaží zaznamenat zvuk tak, jak zní (nebo by měl znít lidskému uchu).

3. Psychoakustika 3.1 Úvod V  roce  1995  byla  nalezena  45  000  let  stará  flétna.  Tento  nález  dokazuje,  že  nás  hudba  v  různých formách  provází  lidstvo  již  hezkých  pár  let.  Biblický  David  je  vylíčen,  jak  díky  hudbě  zaháněl  chmury Egyptskému králi a o hudbě se také zmiňuje Řecký básník Homér při popisování slavné bitvy u Troji. Rytmický  zvuk  hudby  působí  na  naše  city  a  emoce.  Hudbu   najdeme  v  jakékoli  kultuře,  náboženství, nebo  společenské  skupině.  V  dnešní  době  je  velmi  úspěšná  léčba  pomocí  hudby.  Touto  léčbou  jsou léčeni  například  pacienti  trpící  Alzheimerovou,  nebo  Parkinsonovou nemocí. Spadají sem také lidi, kteří s  rakovinou  či  AIDS.  Vědecké  výzkumy   ukazují,  že  hudba  může  mít pozitivní  efekt na  snižování tlaku, zlepšování dýchání, nebo na pokles cholesterolu v krvi.

3.2 Člověk a zvuk Člověk  je  schopen  vnímat  zvukové  signály na  škále přibližně  v rozsahu 16 HZ  – 20kHZ.  Každý  člověk má  dolní  i  horní  hranici  nepatrně  odlišnou  avšak  hodnoty  16HZ  a  20kHZ  byly  určeny  na  základě dlouhodobého měření a zkoumání. Hodnoty  pod 16HZ se  nazývají  infrazvuk, tyto hodnoty lze  za určitých okolností také rozeznávat (jejich slyšitelnost   je  například  jedním  z  hlavní  rozlišovacích  parametrů  mezi  kvalitní   a  nekvalitní reprosoustavou).  Hodnoty  nad  20kHZ  se   nazývají  ultrazvuk,  tyto  hodnoty  jsou  pro  člověka  nemožné zachytit,  avšak  některá   zvířata  v  čele  s  netopýry,  kteří  jsou  podle  ultrazvuku  schopni  orientace  v naprosté tmě, jsou schopny ultrazvuk rozeznat a zpracovat ho.   Tabulka toho, jaký zvuk můžeme zachytit (v dB) a jak na nás působí

3.2.1 Lidské ucho

Dělí se na Vnější ucho, Střední ucho a Vnitřní ucho Vnější ucho Hlavní  části  vnějšího  ucha  je  boltec, zvukovod a bubínek.  Zvuk  nejprve  dorazí  k  boltci,  který  ho směřuje  do  zvukovodu. Zvukovod je  chrupavčitá trubice  spojující  boltec  s  bubínkem.   Zvukovod také  vytváří  přepážku  mezi  vnějším  a  středním uchem. Po  tom  co  zvuková  vlna  projde  zvukovodem, narazí  na  jeho  konci  na  ušní  bubínek,  který pomocí  rozechvění  přeposílá  informaci  o  zvuku dál do středního ucha Střední ucho Systém  dutin,  který  začíná  bubínkem  na  který  jsou  napojeny  tři  kůstky,  třmínek,  kladívko  a  kovadlina. Jakmile  se  k  nim  dostane  informace  o  zachycení  zvukového  signálu  přenášejí  za pomoci tlakových vln signál do vnitřního ucha. Vnitřní ucho Třmínek  přiléhá  ke  kulatému  okénku  .  Vnitřní   ucho  je  tvořeno  hlemýžděm,  což  je  spirála  vyplněná tekutinou.  Zvukové  vlnění  se  ve  vnitřním   ucho  přeměňuje na elektrické  impulzy, které poté cestují dále do mozku.

3.3 Kvalita zvuku Nepostradatelným  parametrem  každé  hudební  nahrávky  je   kvalita  zvuku.  Největší  vliv  na  kvalitu nahrávky  má  zvukové  zkreslení.  V  nejideálnějším  případě  bude  mít  zkreslení  podobu  neměnné lineární funkce, míru zkreslení zvuku určujeme pomocí velikosti odchylky od této neměnné lineární funkce.

3.4 Definice psychoakustiky Ačkoli  žijeme  v  době  vyspělých  technologií,   stále  je  potřeba  při  zpracování  digitálního  zvuku  obrovské množství  místa  a  dat  ke  zpracování  tohoto  signálu.  Zpracování  probíhá  za  pomoci  komprimace.  Aby bylo  možné  tento  signál  vůbec  zpracovat,  je  potřeba  odstranit,  nebo   změnit  části  zvuku,  které  pro komprimaci  nejsou  důležité.  V  tomto  okamžiku  nastupuje  do  celého  děje  psychoakustika. Psychoakustika  se dá definovat jako  model, který  funguje  na  matematických algoritmech podle kterých je  člověk,  který  zvuk   zpracovává  schopen  určit,  které  části  může  odstranit,  nebo  změnit  bez  toho, aby ovlivnil  kvalitu,  nebo  podobu  záznamu   zvuku.  Psychoakustika  je  tedy  soubor  postupů  a  metod,  které mechanicky nahrazují lidský sluch a určují schopnost vnímání. 3.4.1 Psychoakustické veličiny Při   posuzování  kvality  hudby  používají  vědci  zabývající  se  psychoakustikou  veličinami,  jako  hlasitost, ostrost,  tvrdost  a  další.  Protože  určování  těchto  veličin  u  každého  zvukového  záznamu   znovu  a znovu, byly  vymyšlené  takzvané  veličinové  modely,  které  dokáží  určit  velikost  dané  veličiny  podle  přesně

stanovených algoritmů. 3.4.2 Psychoakustické maskování Psychoakustické  maskování  se  dá demonstrovat  na  jednoduchém  příkladu  z praxe. Při  naprostém tichu uslyšíme  i   nepatrný  zvuk,  jako  například  tikání   ručičkových  hodin.  Naopak  když  stojíme   na  stanici metra  v  ranní  špičce,  máme  kolikrát  problém  slyšet  i  vlastní  konverzaci.  Tento  jev  se  nazývá maskováním a v psychoakustice funguje naprosto stejně jako v příkladu s hodinami a stanicí  metra. Maskování  je  jednou  z  nejčastěji  používaných  metod  psychoakustiky.  Člověk  pracující  se  signálem  při tomto ději cíleně odstraňuje, nebo překrývá části signálu, které jsou přebytečné. Signálu,  který  překrývá  jiný  signál  nazýváme  maskující  prvek,  naopak  prvek,  který  je  maskován  se nazývá maskovaný prvek. Maskování  lze  rozdělit  do  dvou  hlavních  skupin.  Dělení  probíhá  podle  vzájemné  časové  pozice maskujícího  a  maskovaného  prvku.  Když  se  v  signálu  vyskytují  ve  stejný  okamžik  nazýváme  je souběžným maskováním. Pokud nejsou ve stejný čas nazýváme je časovým maskováním. Souběžné maskování Tento  jev  nastává  když  probíhají  oba  zvukové  signály  ve  stejný  okamžik.  Silnější  signál  překrývá  ten slabší  (stejně  jako  na  příkladu  z  úvodu  do  Psychoakusického  maskování).  Po  překrytí  přestává  být slabší signál slyšet a zůstává pouze signál silnější. Demonstrace  souběžného  maskování  je  na obrázku, kde máme  dva slabé signály a jeden  dominantní (s největší  amplitudou).  Pokud  tedy  chceme  přehrát  pouze  dominantní  ton,  tak  se  na  vnímání  celkového zvuku nic nemění a ušetříme díky souběžnému maskování spoustu dat. Časové maskování Lidský mozek nemůže zachytit velmi tichý zvuk znějící těsně po, nebo před zvukem hlasitým. Post­masking,  až  do  50  MS  po  zaznění  hlasitého  zvuku  nemůžeme  slyšet  zvuk  tichý.  Pre­masking, 10ms před hlasitým zvukem také nezaregistrujeme tichý zvuk.

4. Vlastní výzkum V rámci našeho projektu jsme se rozhodli pro uskutečnění praktické části v hlavním zvukovém studiu České televize na Kavčích horách.

 Naše návštěva byla velmi obohacující, jak informačně, tak co se získaného materiálu týče. Pod taktovkou sympatického pana zvukaře se nám podařilo udělat rip části desky “The Dark Side of the Moon” od jedné z nejslavnějších rockových skupin všech dob, Pink Floyd. Ačkoliv získaný obraz desky již prošel digitalizací, stále byl zaznamenán kvalitněji, než CD, tudíž jsme měli při porovnávání z čeho vycházet. Rip byl proveden se vzorkovací frekvencí 48kHz (oproti 44.1kHz u běžných CD) a s bitovou hloubkou 24 bitů (oproti 16 bitům u CD), obsahoval tedy nutně více informací než CDčka či soubory Mp3, se kterými se běžně setkáváme. Dále jsme získali záznam Simple Symphony op. 4 ­ Boisterous Bourrée skladatele Benjamina Brittena, taktéž 48kHz/24bit (přesamplováno z 96kHz kvůli nedostatku výpočetního výkonu). Nejkvalitnější záznamy budeme dle uvádět jako 48/24, záznamy v CD kvalitě jako 44.1/16. Abychom mohli zjistit, k čemu dochází, když používáme dnes běžné formáty, získané záznamy jsme rozstříhali a každý kousek jsme zkonvertovali, viz V PŘÍLOZE. Ze záznamu desky jsme vytvořili smyčku z části skladby Money, ze záznamu Simple Symphony op. 4 jsme použili úvodní část.

Spektrogramy nám ukazují, že 48/24 záznamy obsahují všechny frekvence, které je spektrograf schopen detekovat. 44.1/16 záznamy obsahují frekvence do cca 22kHz, což je nejvyšší slyšitelná frekvence pro člověka, naměřená v laboratorních podmínkách. U záznamů ve formátu Mp3 můžeme pozorovat, že kompresní algoritmus se snaží tlačit signál pod hranici 16kHz, nad níž podle zvoleného bitratu (datového toku) propouští čím dál méně frekvencí, s cílem šetřit daty a zmenšit výsledný soubor. V praxi, mimo laboratoř moc zvuků nad 16kHz neslyšíme. Nejnižší bitrate u Mp3, který se považuje za rozumně poslouchatelný, je 128kbps, pod touto hranicí je ztráta informací na první poslech slyšitelná (viz konce souborů V PŘÍLOZE).

5. Diskuze Na  místě  je  položit  si  otázku,  jestli  má  smysl  honba,  či  lpění  na  bezztrátových  formátech.  Jedním  z argumentů,  proč   ano,  je,   že  vyšší  vzorkovací  frekvence, které tyto  formáty umožňují,  umožňují zachytit ultrazvuky nad běžných 22kHz.  Hudební nástroje tyto zvuky (které jsou pokračováním  řady alikvótních tónů,  které  tvoří  barvu  zvuku   nástroje)  běžně  vydávají  a  my,  ač   je  neslyšíme,  cítíme  je  skrz  vibrace   v našem  těle,  což   umocňuje  náš  požitek  z  poslechu.  Dalším  argumentem  je,  že  informace   ztracené ztrátovou  kompresí  se  již  nedají  nahradit.   Co  když  v  příštích  letech  přijde  dostupná  technologie,  která každou  chybějící  informaci  hned  vystaví  na  odiv,  jako  to  dělají  dražší  analytická sluchátka/reprosoustavy? Na  druhou stranu,  běžný  smrtelník na běžné spotřební elektronice  zpravidla  nepozná  rozdíl  mezi  44.1/16 záznamem  a  128kbps  Mp3  souborem.  Ta  ani  z  konstrukčních  důvodů  většinou  nedokáže  zvuky  nad 22kHz přehrát.

6. Závěr Jako  nejrozumnější  “rozuzlení”  se  nám  jeví  přístup,  podle  kterého  by  nás  tato  rozmanitost  neměla omezovat,  ale   dávat  nám  možnost  volby.  Komu  stačí  hudba  v  Mp3,  pro  toho  je  skvělé,  že  ji  může  mít stále  v  kapse  a  kdo  si  potrpí  na  kvalitu,  ten  může   sáhnout  po  některém  ze  SACD,  či  Pure  Adio Blu­Ray vydání. Anebo po gramodesce.

7. Zdroje Signal Processing for Communications by Paolo Prandoni and Martin Vetterli http://www.guitarvolumeright.com/index.php?option=com_content&view=article&id=284:bit­d epth­bitova­hloubka&catid=62:zaklady­recordingu&Itemid=197 http://jlswbs.wordpress.com/2009/05/18/fourierova­analyza/

http://fu.ff.cuni.cz/vyuka/akustika/3_psychoakustika.pdf http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=42960 http://zvuk.atrip.sk/index.php?site=2_2 http://cs.wikipedia.org/wiki/Ucho http://www.eng.auburn.edu/users/crockmj/Fastl_acta_acustica.pdf http://www.mmk.ei.tum.de/~tal/Literatur/PDF/1013.pdf http://www.yamahaproaudio.com/europe/en_gb/training_support/selftraining/audio_quality/ch apter1/06_sound_quality/

http://dspace.k.utb.cz/bitstream/handle/10563/5093/bedna%C5%99%C3%ADk_2008_bp.pdf ?sequence=1 http://standardvinyl.com/vinyl­pressing/ http://www.tinfoil.com/