Hangstúdió-technikai alapok Villamosmérnöki szak, Médiakommunikációs technológiák és rendszerek ágazat BSC, Média kommunikációs szakirány Médiakommunikációs technológiák és rendszerek laboratórium (VIHIA326)
Fürjes Andor, Márki Ferenc és Lois László jegyzetei felhasználásával szerkesztette: Nagy Attila Balázs, BME Híradástechnikai Tanszék, 2016
A hangstúdió Bemenetek –[csatorna]– processzálás –[csatorna]– kimenetek
Ez a séma ráhúzható a hangfelvételre és az utómunkálatokra is, hiszen az utómunkálatoknál a bemenet a korábban eltárolt hangfelvétel... Bemenetek:
Processzálás: Kimenetek:
mikrofonok, hangszerek (vonalbemenettel), elektronikus hangforrás (CD-, lemez- és egyéb lejátszók, PC, stb.) keverőpult – mapping, hangszín, panoráma, effektek, korrekciók vágás és egyéb editálások monitor hangfal, fejhallgató rögzítő egységek (HDD, analóg magnó, stb.) adótorony (rádióadás esetén)
A hang Hang: az anyagban hullámként terjedő mechanikai rezgés, amit az élőlények a hallásnak nevezett képességükkel érzékelnek. Hangsebesség: a hang terjedési sebessége, c = 340 m/s (közegfüggő)
Hangnyomás: a környezeti – légköri (atmoszférikus) – statikus nyomásra szuperponálódott nyomásváltozás P(x,t) = Plégköri+ ppill(x,t); ahol Plégköri = 105 Pa Mértékegysége: 1 Pa = 1 N/m2 Egyszámértékes mennyiségként RMS értékkel jellemezzük:
Hangnyomásszint (Sound Pressure Level, SPL): egy adott p0 vonatkoztatási szinthez viszonyított hangnyomás: Lp = 10 log10 (p/p0)2 = 20 log10 (p/p0) [dB] (decibel) ahol p0 a még éppen hallható 1 kHz-es hang hangnyomás értéke (hallásküszöb) p0 = 20x10-6 = 20 µP
A hang – folyt. Jellemző hangnyomásszintek
Abszolút hallásküszöb
SPL (dB)
Jellemző hely
SPL (dB)
Jellemző hely
0
Hallásküszöb
94
1 Pa
10
Grand Canyon North Rim
108
Mennydörgés
25
Lakószoba éjjel
135
Fájdalom küszöb
45
Hallgatóság zajszintje
155
Sugárhajtású repülő
70-80
Forgalmas utca
180
Űrrepülő start
Hangerősség A hangerősség: Jellemzése:
a szubjektív hangosságérzet. egy hang hangerőssége annyi phon, ahány dB a vele azonos hangosságérzetet keltő 1 kHz-es hang hangnyomásszintje.
Fletcher-Munson görbék: azonos hangerősségű pontok
Mikrofonok (pickupok) – működési elv Feladatuk a hang vagy más mechanikai rezgés (energia) elektromos jellé (energiává) alakítása. 1) Nyomásérzékeny mikrofon Zárt üreg elé feszített membrán. A membrán a két oldala közötti nyomáskülönbség hatására tér ki. Elvileg irányfüggetlen (omnidirectional) Gyakorlatilag van irányfüggés ()
P0 + ppill(t)
membrán
P0
nyomáskiegyenlítő nyílás
2) Nyomásgradiens mikrofon Szabad (nyitott) membrán. A nyomás változásának iránya (részecskesebesség) szerint tér ki. Irányfüggő: nyolcas (Figure of 8), a beesési szög koszinuszával arányos jelet ad.
részecskesebesség v
v= |v|cos() membrán
Mikrofonok - Összetett iránykarakterisztikák Egy gömbi és egy nyolcas mikrofonból előállítható különféle iránykarakterisztikák
Mikrofonok távolságfüggése 1) Proximity effect Nyomásgradiens mikrofonokra jellemző: A forrás közelterében a részecskesebesség távolságfüggése a kisfrekvenciás tartományban jelentős. A hangforrások közeltérben a nyomásgradiens mikrofonok erősen emelik a mélyeket.
2) Szabadtéri vs. diffúztéri átvitel Zárt térben a forrástól távolodva nő a visszavert energiák aránya a közvetlen energiához képest. Nyomásérzékeny mikrofonoknál a nagyfrekvenciás átvitel eltér a szabadtéritől. Az átvitel hangszínezéssel vagy ráccsal (grille) korrigálható
Mikrofonok jelátalakítása 1) Mágneses mozgótekercses (dinamikus) A membránra erősített tekercs mozog egy mágneses mezőben, a kimenetén feszültség indukálódik. Kicsi kimeneti impedancia -> Transzformátort építenek be Közelmikrofonozáshoz és Nagy hangerejű forrásokhoz használják. A legtöbb nyomásérzékeny. Kapszula megnyitásával kardioid vagy hiperkardioid iránykarakterisztika.
1b) Mágneses szalagmikrofon (ribbon) Kimeneti impedancia nagyon kicsi -> transzformátoros illesztés. Jó tranziens átvitel. Túlérzékeny szélre, testzajokra, rezgésekre. Tipikusan nyomásgradiens. Átalakítással kardioid karakterisztika is elérhető.
Mikrofonok jelátalakítása 2a) Elektrosztatikus (kondenzátor, kapacitív) Backplate és a membrán a kondenzátor két fegyverzete. Nyomásváltozásra töltésáramlás. Kis áram -> erősíteni kell. Két membránnal a polarizáció fázisának változtatásával különféle iránykarakterisztika.
Fantomtáp: állandó tápellátás (pl. 48 V)
2b) Prepolarizált mikrofon: elektret mikrofon Kisebb tápfeszültség is elég, minőség megfelelő.
3) Piezo Pl.: CAD HM50
Speciális mikrofonok Határfelületi mikrofonok („boundary effect” vagy PZM „pressure zone microphone”): - nincs visszaverő felület (nincs fésűszűrős hatás) - nagyobb érzékenység
Puskamikrofonok, parabolikus mikrofonok Hang csak szemből érkezik a kapszulába
Mikrofonok jellemzői -
Átalakító típusa
-
Membrán átmérője (elektrosztatikusnál fontos)
-
Érzékenység: 1 Pa nyomásra adott feszültségkimenet, tipikusan mV/Pa vagy dBV/Pa dinamikus: Shure SM58 szalag: Royer R121 kondenzátor: Neumann U87 elektret: AKG C1000S
-
1.85mV/Pa (-54.5 dBV/Pa) 3.1 mV/Pa (-50 dBV/Pa) 20 mV/Pa (-30.4 dBV/Pa) 6 mV/Pa (-45 dBV/Pa)
Iránykarakterisztika: érzékenység irányfüggése főirányba eső síkon felvett polárdiagramon ábrázolják
Mikrofonok jellemzői -
Frekvenciamenet: érzékenység frekvenciafüggése (nem feltétlenül az egyenletes átvitel az előnyös: énekmikrofonok 2-6 kHz közötti kiemelést mutatnak) AKG C3000B
-
Maximális hangnyomás: adott torzításhoz tartozó SPL pl.: Neumann U87 117 dB (cardioid) for THD 0.5%
-
Kimeneti impedancia: professzionálisak 150-200 SM58: 150 , U87: 200 , Jefe AVL 1900: 500 (olcsóbbak csak 4-6 m kábelt tudnak meghajtani)
-
Ekvivalens saját zaj: ideálisan zajtalan környezetben a kimeneten megjelenő jel mekkora bemenő zajnak felel meg tökéletesen zajtalan mikrofon esetében.
-
Mikrofonház kivitele: handheld (kézi), stand mounting (állványra helyezhető), lavalier (ruhára csiptetős)
-
Beépített elektronika: mélyvágás (low-cut) vagy állandó csillapítás (pad)
Mikrofonok kiegészítői Tartozékok: szélvédő szivacs (windscreen) kengyel: rugalmas (shock-mount), pók (testzajok szűrése) pop-filter: „p”, „t” hangok puffogásának csökkentése, énekes távoltartása
Jelek leírása fizikai paraméter (nyomás, feszültség, hőmérséklet, stb.) változása
Jel:
Jelszintek: Két teljesítmény viszonya a bel, illetve decibel: Jelszintek esetében: dBu
feszültségszint, referencia: 0,775 Vrms
dBV
feszültségszint, referencia: 1 V
D = 10 log10 P1 / P2 D = 20 log10 p1 / p2
dBm, dBmW elektr. teljesítményszint, referencia: 1 mW (1940-es definíció, 600 -os terhelésen értelmezték, ott ez pont 0,775 Vrms-t jelent) dBv
feszültségszint, dBm-ből számítható (600 -os terhelés esetén) – NAB javaslatára
dBW
elektr. teljesítményszint, referencia 1 W
dinamika tartomány zajszint és a maximális jelszint közötti tartomány, dB-ben
jel-zaj viszony (signal to noise ratio, SNR) általában: jel teljesítménye a zaj teljesítményéhez viszonyítva specifikációban: 1 kHz-es szinusz adott szintjéhez (pl. +4 dBu azaz 1,228 Vrms) képest adják meg
Jelvezetés - Analóg Analóg:
az elektromos jel a fizikai paraméterrel arányosan változik
Szimmetrikus (balanced): - 3 vezeték: a referencia (DC), valamint a referenciához képesti jel és a jel (-1)-szerese (ellenfázisú jel) - az információ a jelek különbsége V0 = Ad (V+ - V-) + ½ As (V+ + V-) - a külső zaj közösmódusú jelként jelentkezik (200 mV is lehet) CMRR: közösmódusú elnyomás (Common Mode Rejection Ratio) CMRR = 20 log10 (Ad/|As|) jó esetben 100 dB közösmódusú elnyomás érhető el. Aszimmetrikus (unbalanced): - 2 vezeték: a referencia tipikusan a föld - a két jel különbsége az információ
Impedanciák: Kimenetek: Bemenetek:
feszültséggenerátoros kisimpedanciás (50-60 ) kimenetek nagyimpedanciás (100 k) bemenetek
Előnyök: - jobban illeszkedik a kábelezéshez - hosszabb kábelek engedhetők meg
Jelvezetés - Analóg Sávszélesség: kábel + kimeneti impedancia: aluláteresztő tag
Rki: forrás kimenő impedanciája; Rvezető: a vezető szál ellenállása (L hosszon); Cvez-vez: kábel vezető-vezető kapacitása (L hosszon) Például: kimenet 600 -os , kábel 90 pF/m, 100 m hossz esetén fc = 29,4 kHz (-3 dB-es pont), míg 60 -os kimenettel ugyanez 294 kHz lenne. Optimális kimenet: 80-90 (ha kisebb az impedancia + a kábel soros induktivitása: nagyfrekvenciás kiemelés) Slew Rate: maximális jelváltozási sebesség (erősítő) Szinuszos jel esetén:
SR = 2 · · f · Vp
Ezzel a kábelen átfolyó áram:
I = C · dv/dt = C·SR
Például: 300 m hosszú 90 pF/m kábel, 15 Vrms, 30 kHz-es szinusz esetén: SR = 2 · 15 · 2 · 30000 = 4 V/s I = 108 mA (csúcsáram a kimenet meghajtó erősítőjétől) (vö: NE5532 max meghajtó árama 40 mA)
Jelvezetés - Digitális Miért:
Analóg esetben a zaj ugyanolyan jellegű, mint a jel -> nem szétválaszthatók
Megoldás: Ismert szimbólumrendszerrel ábrázoljuk az analóg jel fontos jellemzőit Hogyan:
Mintavételezés és kvantálás (egyenletes)
Mintavételezés és hatása Nyquist-kritérium: B sávszélességű folytonos jel visszaállítható mintáiból, ha a mintavételi frekvencia legalább 2B, azaz B < fs/2 Mintavételezés következménye: Spektrum periodikus lesz Anti-aliasing szűrés: fs/2-nél nagyobb frekvenciájú komponensek kiszűrése
Kvantálás és hatása
A kvantálási hiba kvantálási zajt hoz be: 16 bit ADC esetén DR = 96,33 dB; SNR = 98 dB
SNR = 20 log10 (2n 3/2) 6,02 n + 1,761
Digitális jelvezetés dBFS:
dB relative to Full Scale (RMS) 0 dBFS a maximális szint
Ha ez négyszögjelre vonatkozik: akkor max -3 dBFS lehet a szinusz amplitúdója clipping nélkül Ha ez szinuszra vonatkozik, akkor +3 dBFS a szinusz amplitúdója (AES 17-1998)
Jellemző digitalizálási értékek: fs: N bit: CD:
44,1 kHz 16 bit 44,1 kHz, 16 bit Honnan jött?
48 kHz
96 kHz 24 bit
192 kHz
DR: 96 dB adatmennyiség: 44,1 kHz x 2 ch x 16 bit = 1,4 MBit/s -> Videó: 60 Hz/félkép x 245 sor/félkép x 3 50 Hz/félkép x 294 sor/félkép x 3
Szabványok: AES/EBU
„őskövület”, 2 csatorna, 24 bit, PCM, és max 100 m átvitel...
MADI
sokcsatornás (Multi Channel Audio Digital Interface), átvitel koax vagy FDDI optikai kábelen
Harmonikus torzítás Total Harmonic Distortion (THD)
RMS amplitúdókkal:
(n=1 az alapharmonikus)
Hangtechnikában
Átszámítás dB-re
vagy:
Tipikus hangtechnikai csatlakozók
Jack, TRS: Tip-Ring-Sleeve
Cannon, XLR (XLR3) Cannon X series Latch, Rubber
BNC: Bayonette Nut Connector
RCA: Radio Corporation of America
Neutrik Speakon
Processzálás Vágás (1.) Hangerő és dinamika DC offszet
Processzálás – 2. Hangerő és dinamika Hangerő szabályozás Fade-in, Fade-out
Normalizálás Vágás (2.) Cross fade (átkeverés) Tempó és hangmagasság korrekció
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 0 id ő
Processzálás – 3. Hangszínszabályozó alul-, felül-, sáváteresztő, sávzáró
Zajzár küszöb (threshold) megfogási és elengedési idők (attack, release time) Dinamika kompresszor küszöb (threshold) tömörítés (ratio) (pl. 30 dB-s szakaszt 10 dB-re tömörít: 1:3) soft knee megfogási és elengedési idők Limiter végtelen tömörítési arányú kompresszor 0 megfogási idővel
Processzálás – 4. Fázistoló (Phaser) idővel változó konstruktív és destruktív interferencia lép fel
Flanger egységnyi késleltetés harmonikus leszívások
Processzálás – 5. Kórus
Vibrátó Tremoló Torzító
Zengetés Egyebek
Keverés
Kimenetek Hangsugárzók (vö. hangszórók) típus
szélessávú, mélysugárzó (woofer), csipogó (tweeter)
működési elv: dinamikus, tölcséres, piezoelektromos, elektrosztatikus, reflex, szalag síklapos, plazma, stb. impedancia érzékenység 1 W bemenő teljesítményre adott hangnyomásszint a főtengelyben, 1 m távolságra (otthoni célra tipikusan 85-95 dB, koncerthangosításra tipikusan 95-102 dB) hatásfok akusztikai teljesítmény/elektromos (betáplált) teljesítmény (otthoni célra: 0,5-4%, profi célra: 4-10%) harmonikus torzítás maximum elektromos teljesítmény (rated power), maximum teljesítmény maximum SPL Fejhallgatók: zárt, nyitott
Pszichoakusztikus bitsebesség csökkentés Abszolút hallásküszöb: Fletcher-Munson görbék Kritikus sávok: Hallásunk tulajdonságai alapján az észlelhető frekvenciatartományt fel lehet osztani jól sávokra, az úgynevezett kritikus sávokra.
meghatározott
A kritikus sávokat (24 db.) Bark-ban számozzuk, Barkhausen tiszteletére. Sávszélességük a frekvencia növekedésével nő. (800 Hz alatt 100Hz, 1 kHz-en 160 Hz, míg 10 kHz-en 2500 Hz).
Több egyidejű komponens összegződése eltérő módon történik, ha azok egy kritikus sávon belül illetve kívül vannak (kritikus sávon belül a komponensek teljesítményben összegződnek). Érzeti kódolóban elfedési jelenségeket vizsgálunk. Célszerű a kritikus sávoknál keskenyebb sávokat alkalmazni, így az elfedési görbék egyszerűen, teljesítményben összegezhetők. Frekvencia-tartománybeli elfedés Dinamikus hallásküszöb Időtartománybeli elfedés A tonalitás és a frekvenciatisztaság igénye
Elfedés a frekvencia tartományban Dinamikus hallásküszöb, maszk: A spektrumból kiemelkedő tonális/ keskenysávú zaj jellegű komponensek megemelik a frekv. környezetükben a hallásküszöböt: Ami a maszk alatt van, az nem hallható. Ez az elfedési jelenség frekvencia- és szintfüggő.
Az elfedési görbék frekvenciában aszimmetrikusak. Az elfedés az elfedő jel szintjének növekedésével egyre szélesebb, de a görbék alakja és jellege nem változik.
Elfedés a frekvencia tartományban
Elfedés az időtartományban
Háromdimenziós maszkoló görbe
Tonalitás és frekvencia pontosság • Hallásunk a harmonikus hangok tisztaságára érzékenyebb, mint a zajjellegű hangokéra. • Ezért a tiszta hangok spektrumvonalait pontosabban kell átvinni. • Ehhez azonban meg kell határozni, melyek a tonális illetve a zajjellegű komponensek. • Az emberi hallás a mélyhangok tekintetében nagyobb pontosságot igényel, mint közepes és magas hangoknál. • Ezt a bitsebesség csökkentési eljárásokban figyelembe kell venni.
